Широкозонні напівпровідники (ШЗЗ), представлені карбідом кремнію (SiC) та нітридом галію (GaN), отримали широку увагу. Люди мають великі очікування щодо перспектив застосування карбіду кремнію в електромобілях та енергетичних мережах, а також перспектив застосування нітриду галію для швидкої зарядки. В останні роки дослідження матеріалів на основі Ga2O3, AlN та алмазів досягли значного прогресу, що зробило напівпровідникові матеріали з надширокозонною забороненою зоною центром уваги. Серед них оксид галію (Ga2O3) — це новий напівпровідниковий матеріал з надширокозонною забороненою зоною, шириною забороненої зони 4,8 еВ, теоретичною критичною напруженістю пробивного поля близько 8 МВ см-1, швидкістю насичення близько 2E7 см с-1 та високим коефіцієнтом якості Баліги 3000, який отримує широку увагу в галузі високовольтної та високочастотної силової електроніки.
1. Характеристики матеріалу на основі оксиду галію
Ga2O3 має велику заборонену зону (4,8 еВ), очікується, що він досягне як високої витримуваної напруги, так і високої потужності, а також може мати потенціал для адаптації до високої напруги при відносно низькому опорі, що робить його предметом сучасних досліджень. Крім того, Ga2O3 не тільки має чудові матеріальні властивості, але й забезпечує різноманітні легко регульовані технології легування n-типу, а також недорогі технології вирощування підкладок та епітаксії. На сьогоднішній день у Ga2O3 виявлено п'ять різних кристалічних фаз, включаючи корундову (α), моноклінічну (β), дефектну шпінель (γ), кубічну (δ) та орторомбічну (ɛ) фази. Термодинамічна стабільність має порядок γ, δ, α, ɛ та β. Варто зазначити, що моноклінічна β-Ga2O3 є найбільш стабільною, особливо за високих температур, тоді як інші фази є метастабільними за температури вище кімнатної та мають тенденцію до перетворення на β-фазу за певних теплових умов. Тому розробка пристроїв на основі β-Ga2O3 стала основним напрямком у галузі силової електроніки в останні роки.
Таблиця 1 Порівняння параметрів деяких напівпровідникових матеріалів
Кристалічна структура моноклінного β-Ga2O3 показана в таблиці 1. Його параметри решітки включають a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å та β = 103,8°. Елементарна комірка складається з атомів Ga(I) зі скрученою тетраедричною координацією та атомів Ga(II) з октаедричною координацією. У «скрученому кубічному» масиві є три різні розташування атомів кисню, включаючи два трикутно координовані атоми O(I) та O(II) та один тетраедрично координований атом O(III). Поєднання цих двох типів атомної координації призводить до анізотропії β-Ga2O3 з особливими властивостями у фізиці, хімічній корозії, оптиці та електроніці.
Рисунок 1. Схематична структурна діаграма моноклінного кристала β-Ga2O3
З точки зору теорії енергетичних зон, мінімальне значення зони провідності β-Ga2O3 визначається з енергетичного стану, що відповідає гібридній орбіті 4s0 атома Ga. Виміряна різниця енергій між мінімальним значенням зони провідності та рівнем енергії вакууму (енергія спорідненості до електрона) становить 4 еВ. Ефективна маса електрона β-Ga2O3 вимірюється як 0,28–0,33 ме та має сприятливу електронну провідність. Однак максимум валентної зони демонструє неглибоку криву Ek з дуже низькою кривиною та сильно локалізованими O2p-орбіталями, що свідчить про глибоку локалізацію дірок. Ці характеристики створюють величезну проблему для досягнення p-типу легування в β-Ga2O3. Навіть якщо P-типу легування можна досягти, величина μ дірки залишається на дуже низькому рівні. 2. Вирощування монокристалів оксиду галію в об'ємі. Дотепер метод вирощування підкладки монокристалів β-Ga2O3 в основному є методом витягування кристалів, таким як метод Чохральського (CZ), метод подачі тонких плівок з визначеними краями (Edge-Defined film-fed, EFG), Бріджмен (вертикальний або горизонтальний Бріджмен, HB або VB) та технологія плаваючої зони (floating zone, FZ). Серед усіх методів, методи Чохральського та подачі тонких плівок з визначеними краями вважаються найперспективнішими напрямками масового виробництва пластин β-Ga2O3 у майбутньому, оскільки вони можуть одночасно досягати великих обсягів та низької щільності дефектів. На сьогодні японська компанія Novel Crystal Technology реалізувала комерційну матрицю для вирощування розплаву β-Ga2O3.
1.1 Метод Чохральського
Принцип методу Чохральського полягає в тому, що спочатку покривається шар зародка, а потім монокристал повільно витягується з розплаву. Метод Чохральського набуває все більшого значення для β-Ga2O3 завдяки своїй економічній ефективності, можливостям отримання великих розмірів та високоякісному вирощуванню кристалів на підкладці. Однак через термічне напруження під час високотемпературного вирощування Ga2O3 відбуватиметься випаровування монокристалів, матеріалів розплаву та пошкодження іржінового тигля. Це є результатом труднощів у досягненні низького легування n-типу в Ga2O3. Введення відповідної кількості кисню в атмосферу росту є одним зі способів вирішення цієї проблеми. Завдяки оптимізації методом Чохральського було успішно вирощено високоякісний 2-дюймовий β-Ga2O3 з діапазоном концентрації вільних електронів 10^16~10^19 см-3 та максимальною щільністю електронів 160 см2/Вс.
Рисунок 2. Монокристал β-Ga2O3, вирощений методом Чохральського
1.2 Метод подачі плівки з чітким краєм
Метод подачі тонкої плівки з визначеними краями вважається провідним претендентом на комерційне виробництво монокристалічних матеріалів Ga2O3 великої площі. Принцип цього методу полягає в розміщенні розплаву у формі з капілярною щілиною, і розплав піднімається до форми за допомогою капілярного ефекту. У верхній частині утворюється тонка плівка, яка розтікається в усіх напрямках, одночасно кристалізуючись зародковим кристалом. Крім того, краї верхньої частини форми можна контролювати для отримання кристалів у вигляді пластівців, трубок або будь-якої бажаної геометрії. Метод подачі тонкої плівки Ga2O3 з визначеними краями забезпечує високі темпи росту та великі діаметри. На рисунку 3 показано схему монокристала β-Ga2O3. Крім того, з точки зору масштабу розмірів, були комерціалізовані 2-дюймові та 4-дюймові підкладки β-Ga2O3 з відмінною прозорістю та однорідністю, тоді як 6-дюймова підкладка продемонстрована в дослідженнях для майбутньої комерціалізації. Нещодавно також стали доступні великі круглі монокристалічні об'ємні матеріали з орієнтацією (−201). Крім того, метод подачі плівки β-Ga2O3 з визначеними краями також сприяє легуванню перехідними металами, що робить можливим дослідження та отримання Ga2O3.
Рисунок 3. Монокристал β-Ga2O3, вирощений методом подачі плівки з чітко визначеними краями
1.3 Метод Бріджмена
У методі Бріджмена кристали формуються в тиглі, який поступово переміщується через градієнт температури. Процес може виконуватися в горизонтальній або вертикальній орієнтації, зазвичай з використанням обертового тигля. Варто зазначити, що цей метод може використовувати або не використовувати кристалічні зародки. Традиційні оператори Бріджмена не мають прямої візуалізації процесів плавлення та росту кристалів і повинні контролювати температуру з високою точністю. Вертикальний метод Бріджмена в основному використовується для вирощування β-Ga2O3 і відомий своєю здатністю рости в повітряному середовищі. Під час процесу вирощування вертикальним методом Бріджмена загальна втрата маси розплаву та тигля утримується нижче 1%, що дозволяє вирощувати великі монокристали β-Ga2O3 з мінімальними втратами.
Рисунок 4. Монокристал β-Ga2O3, вирощений методом Бріджмена
1.4 Метод плаваючої зони
Метод плаваючої зони вирішує проблему забруднення кристалів матеріалами тигля та знижує високі витрати, пов'язані з високотемпературними інфрачервоними тиглями. Під час цього процесу вирощування розплав можна нагрівати лампою, а не радіочастотним джерелом, що спрощує вимоги до обладнання для вирощування. Хоча форма та якість кристалів β-Ga2O3, вирощеного методом плаваючої зони, ще не є оптимальними, цей метод відкриває перспективний спосіб вирощування високочистого β-Ga2O3 у бюджетні монокристали.
Рисунок 5. Монокристал β-Ga2O3, вирощений методом флотуючої зони.
Час публікації: 30 травня 2024 р.