Silisyum karbür (SiC) ve galyum nitrür (GaN) ile temsil edilen geniş bant aralıklı (WBG) yarı iletkenler yaygın ilgi görmüştür. İnsanlar, silisyum karbürün elektrikli araçlar ve güç şebekelerindeki uygulama beklentilerinin yanı sıra galyum nitrürün hızlı şarjdaki uygulama beklentileri konusunda da yüksek beklentilere sahiptir. Son yıllarda, Ga2O3, AlN ve elmas malzemeler üzerindeki araştırmalar önemli ilerlemeler kaydederek ultra geniş bant aralıklı yarı iletken malzemeleri ilgi odağı haline getirmiştir. Bunlar arasında, galyum oksit (Ga2O3), 4,8 eV bant aralığına, yaklaşık 8 MV cm-1 teorik kritik bozulma alan gücüne, yaklaşık 2E7cm s-1 doyma hızına ve 3000 yüksek Baliga kalite faktörüne sahip, yüksek voltaj ve yüksek frekanslı güç elektroniği alanında yaygın ilgi gören, ortaya çıkan ultra geniş bant aralıklı bir yarı iletken malzemedir.
1. Galyum oksit malzeme özellikleri
Ga2O3 büyük bir bant aralığına (4,8 eV) sahiptir, hem yüksek dayanım voltajına hem de yüksek güç kapasitelerine ulaşması beklenir ve nispeten düşük dirençte yüksek voltaj uyarlanabilirliği potansiyeline sahip olabilir, bu da onları güncel araştırmaların odak noktası haline getirir. Ek olarak, Ga2O3 sadece mükemmel malzeme özelliklerine sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda çeşitli kolayca ayarlanabilir n tipi doping teknolojilerinin yanı sıra düşük maliyetli substrat büyütme ve epitaksi teknolojileri de sağlar. Şimdiye kadar Ga2O3'te korindon (α), monoklinik (β), kusurlu spinel (γ), kübik (δ) ve ortorombik (ɛ) fazlar dahil olmak üzere beş farklı kristal faz keşfedildi. Termodinamik kararlılıklar sırasıyla γ, δ, α, ɛ ve β'dir. Monoklinik β-Ga2O3'ün özellikle yüksek sıcaklıklarda en kararlı olduğunu, diğer fazların ise oda sıcaklığının üzerinde metastabil olduğunu ve belirli termal koşullar altında β fazına dönüşme eğiliminde olduğunu belirtmekte fayda var. Bu nedenle son yıllarda güç elektroniği alanında β-Ga2O3 tabanlı cihazların geliştirilmesi önemli bir odak noktası haline gelmiştir.
Tablo 1 Bazı yarı iletken malzeme parametrelerinin karşılaştırılması
Monoklinikβ-Ga2O3'ün kristal yapısı Tablo 1'de gösterilmiştir. Örgü parametreleri a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å ve β = 103,8°'dir. Birim hücre, bükülü tetrahedral koordinasyonlu Ga(I) atomları ve oktahedral koordinasyonlu Ga(II) atomlarından oluşur. "Bükülmüş kübik" dizide, iki üçgensel olarak koordine edilmiş O(I) ve O(II) atomu ve bir tetrahedral olarak koordine edilmiş O(III) atomu dahil olmak üzere üç farklı oksijen atomu düzenlemesi vardır. Bu iki tip atomik koordinasyonun birleşimi, fizik, kimyasal korozyon, optik ve elektronikte özel özelliklere sahip β-Ga2O3'ün anizotropisine yol açar.
Şekil 1 Monoklinik β-Ga2O3 kristalinin şematik yapısal diyagramı
Enerji bandı teorisinin bakış açısından, β-Ga2O3'ün iletim bandının minimum değeri, Ga atomunun 4s0 hibrit yörüngesine karşılık gelen enerji durumundan türetilir. İletim bandının minimum değeri ile vakum enerji seviyesi (elektron afinitesi enerjisi) arasındaki enerji farkı ölçülür. 4 eV'dir. β-Ga2O3'ün etkin elektron kütlesi 0,28–0,33 me olarak ölçülür ve uygun elektronik iletkenliği vardır. Ancak, değerlik bandı maksimumu, çok düşük eğriliğe ve güçlü şekilde yerelleştirilmiş O2p orbitallerine sahip sığ bir Ek eğrisi sergiler ve bu da deliklerin derin şekilde yerelleştirilmiş olduğunu düşündürür. Bu özellikler, β-Ga2O3'te p-tipi doping elde etmek için büyük bir zorluk oluşturur. P-tipi doping elde edilebilse bile, delik μ çok düşük bir seviyede kalır. 2. Toplu galyum oksit tek kristalinin büyümesi Şimdiye kadar, β-Ga2O3 toplu tek kristal alt tabakanın büyüme yöntemi esas olarak kristal çekme yöntemidir, örneğin Czochralski (CZ), kenar tanımlı ince film besleme yöntemi (Kenar Tanımlı film beslemeli, EFG), Bridgman (yatay veya yatay Bridgman, HB veya VB) ve yüzen bölge (yüzen bölge, FZ) teknolojisi. Tüm yöntemler arasında, Czochralski ve kenar tanımlı ince film besleme yöntemlerinin gelecekte β-Ga 2O3 gofretlerinin seri üretimi için en umut verici yollar olması bekleniyor, çünkü aynı anda büyük hacimler ve düşük kusur yoğunlukları elde edebiliyorlar. Şimdiye kadar, Japonya'nın Yeni Kristal Teknolojisi eriyik büyümesi için ticari bir matris β-Ga2O3 gerçekleştirdi.
1.1 Czochralski yöntemi
Czochralski yönteminin prensibi, tohum tabakasının önce örtülmesi ve ardından tek kristalin yavaşça eriyikten çekilmesidir. Czochralski yöntemi, maliyet etkinliği, büyük boyut yetenekleri ve yüksek kristal kaliteli alt tabaka büyümesi nedeniyle β-Ga2O3 için giderek daha önemli hale geliyor. Ancak, Ga2O3'ün yüksek sıcaklıkta büyümesi sırasında termal stres nedeniyle, tek kristallerin, eriyik malzemelerin buharlaşması ve Ir pota hasarı meydana gelecektir. Bu, Ga2O3'te düşük n-tipi doping elde etmenin zorluğunun bir sonucudur. Büyüme atmosferine uygun miktarda oksijen sokmak, bu sorunu çözmenin bir yoludur. Optimizasyon yoluyla, 10^16~10^19 cm-3 serbest elektron konsantrasyon aralığına ve 160 cm2/Vs maksimum elektron yoğunluğuna sahip yüksek kaliteli 2 inç β-Ga2O3, Czochralski yöntemi ile başarıyla büyütülmüştür.
Şekil 2 Czochralski yöntemi ile büyütülen β-Ga2O3'ün tek kristali
1.2 Kenar tanımlı film besleme yöntemi
Kenar tanımlı ince film besleme yöntemi, büyük alanlı Ga2O3 tek kristal malzemelerin ticari üretimi için önde gelen aday olarak kabul edilir. Bu yöntemin prensibi, eriyiği kılcal yarıklı bir kalıba yerleştirmek ve eriyiğin kılcal etki yoluyla kalıba yükselmesidir. Üstte, ince bir film oluşur ve tohum kristali tarafından kristalleşmeye zorlanırken her yöne yayılır. Ek olarak, kalıp üstünün kenarları pullar, tüpler veya istenen herhangi bir geometride kristaller üretmek için kontrol edilebilir. Ga2O3'ün kenar tanımlı ince film besleme yöntemi hızlı büyüme oranları ve büyük çaplar sağlar. Şekil 3, bir β-Ga2O3 tek kristalinin diyagramını göstermektedir. Ek olarak, boyut ölçeği açısından, mükemmel şeffaflık ve tekdüzeliğe sahip 2 inç ve 4 inç β-Ga2O3 alt tabakaları ticarileştirilirken, 6 inç alt tabaka gelecekteki ticarileştirme için araştırmada gösterilmektedir. Son zamanlarda, büyük dairesel tek kristalli yığın malzemeler (−201) yönelimiyle de kullanılabilir hale geldi. Ek olarak, β-Ga2O3 kenar tanımlı film besleme yöntemi, geçiş metal elementlerinin katkılanmasını da teşvik ederek Ga2O3'ün araştırılmasını ve hazırlanmasını mümkün kılar.
Şekil 3 Kenar tanımlı film besleme yöntemi ile büyütülen β-Ga2O3 tek kristali
1.3 Bridgeman yöntemi
Bridgeman yönteminde, kristaller kademeli olarak bir sıcaklık gradyanı boyunca hareket ettirilen bir potada oluşturulur. İşlem yatay veya dikey bir yönelimde, genellikle dönen bir pota kullanılarak gerçekleştirilebilir. Bu yöntemin kristal tohumları kullanıp kullanmayabileceğini belirtmekte fayda var. Geleneksel Bridgman operatörleri, erime ve kristal büyüme süreçlerinin doğrudan görselleştirilmesinden yoksundur ve sıcaklıkları yüksek hassasiyetle kontrol etmelidir. Dikey Bridgman yöntemi esas olarak β-Ga2O3 büyümesi için kullanılır ve hava ortamında büyüme yeteneğiyle bilinir. Dikey Bridgman yöntemi büyüme süreci sırasında, eriyik ve potanın toplam kütle kaybı %1'in altında tutulur ve bu da büyük β-Ga2O3 tek kristallerinin minimum kayıpla büyümesini sağlar.
Şekil 4 Bridgeman yöntemi ile büyütülen β-Ga2O3'ün tek kristali
1.4 Yüzer bölge yöntemi
Yüzen bölge yöntemi, pota malzemeleri tarafından kristal kontaminasyonu sorununu çözer ve yüksek sıcaklığa dayanıklı kızılötesi potalarla ilişkili yüksek maliyetleri azaltır. Bu büyüme süreci sırasında eriyik, bir RF kaynağı yerine bir lamba ile ısıtılabilir, böylece büyüme ekipmanı gereksinimleri basitleştirilir. Yüzen bölge yöntemi ile büyütülen β-Ga2O3'ün şekli ve kristal kalitesi henüz optimum olmasa da, bu yöntem yüksek saflıkta β-Ga2O3'ü bütçe dostu tek kristallere büyütmek için umut verici bir yöntem sunar.
Şekil 5 Yüzen bölge yöntemi ile büyütülen β-Ga2O3 tek kristali.
Yayınlanma zamanı: 30-Mayıs-2024