ጋሊየም ኦክሳይድ ነጠላ ክሪስታል እና ኤፒታክሲያል የእድገት ቴክኖሎጂ

በሲሊኮን ካርቦይድ (SiC) እና በጋሊየም ናይትሬድ (GaN) የተወከሉት ሰፊ የባንድ ክፍተት (WBG) ሴሚኮንዳክተሮች ሰፊ ትኩረት አግኝተዋል። ሰዎች በኤሌክትሪክ ተሽከርካሪዎች እና በሃይል ግሪዶች ውስጥ የሲሊኮን ካርቦይድ የመተግበር ተስፋን እንዲሁም በፈጣን ቻርጅ ውስጥ የጋሊየም ናይትሬድ የመተግበር ተስፋን በተመለከተ ከፍተኛ ግምት አላቸው። በቅርብ ዓመታት ውስጥ፣ በGa2O3፣ AlN እና በአልማዝ ቁሳቁሶች ላይ የተደረገው ጥናት ከፍተኛ እድገት አሳይቷል፣ ይህም እጅግ ሰፊ የባንድ ክፍተት ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁሶችን ትኩረት የሚስብ አድርጎታል። ከእነዚህም መካከል፣ ጋሊየም ኦክሳይድ (Ga2O3) 4.8 eV የሆነ የባንድ ክፍተት ያለው ብቅ ያለ እጅግ ሰፊ ባንድ ክፍተት ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁስ ሲሆን፣ 8 MV cm-1 የሆነ የቲዎሬቲካል ወሳኝ የመስክ ጥንካሬ፣ 2E7cm s-1 የሆነ የሙሌት ፍጥነት እና 3000 የሆነ ከፍተኛ የባሊጋ ጥራት ሁኔታ ሲሆን በከፍተኛ ቮልቴጅ እና በከፍተኛ ድግግሞሽ ኃይል ኤሌክትሮኒክስ መስክ ሰፊ ትኩረት አግኝቷል።

1. የጋሊየም ኦክሳይድ ቁሳቁስ ባህሪያት

Ga2O3 ትልቅ የባንድ ክፍተት (4.8 eV) ያለው ሲሆን ከፍተኛ የመቋቋም ቮልቴጅ እና ከፍተኛ የኃይል አቅምን እንደሚያሳካ ይጠበቃል፣ እና በአንጻራዊነት ዝቅተኛ የመቋቋም አቅም ባለው ከፍተኛ የቮልቴጅ መላመድ አቅም ሊኖረው ይችላል፣ ይህም የአሁኑ ምርምር ትኩረት ያደርጋቸዋል። በተጨማሪም፣ Ga2O3 እጅግ በጣም ጥሩ የቁሳቁስ ባህሪያት ብቻ ሳይሆን የተለያዩ በቀላሉ የሚስተካከሉ የn-አይነት ዶፒንግ ቴክኖሎጂዎችን እንዲሁም ዝቅተኛ ዋጋ ያላቸው የንዑስ ክፍል እድገት እና ኤፒታክሲ ቴክኖሎጂዎችን ይሰጣል። እስካሁን ድረስ በGa2O3 ውስጥ አምስት የተለያዩ የክሪስታል ደረጃዎች ተገኝተዋል፣ እነሱም ኮሩንደም (α)፣ ሞኖክሊኒክ (β)፣ ጉድለት ያለበት ስፒኔል (γ)፣ ኩቢክ (δ) እና ኦርቶሆምቢክ (ɛ) ደረጃዎች ናቸው። የቴርሞዳይናሚክ መረጋጋት በቅደም ተከተል γ፣ δ፣ α፣ ɛ እና β ናቸው። ሞኖክሊኒክ β-Ga2O3 በተለይ በከፍተኛ ሙቀት ውስጥ በጣም የተረጋጋ መሆኑን ልብ ሊባል የሚገባው ሲሆን ሌሎች ደረጃዎች ደግሞ ከክፍል ሙቀት በላይ የሚለዋወጡ እና በተወሰኑ የሙቀት ሁኔታዎች ወደ β ደረጃ የሚለወጡ ናቸው። ስለዚህ፣ በቅርብ ዓመታት ውስጥ የβ-Ga2O3-ተኮር መሳሪያዎችን ማዘጋጀት በኤሌክትሪክ ኤሌክትሮኒክስ መስክ ዋና ትኩረት ሆኗል።

ሠንጠረዥ 1 የአንዳንድ ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁስ መለኪያዎች ንፅፅር

የሞኖክሊኒክβ-Ga2O3 ክሪስታል መዋቅር በሰንጠረዥ 1 ላይ ይታያል። የላቲስ መለኪያዎቹ a = 12.21 Å፣ b = 3.04 Å፣ c = 5.8 Å፣ እና β = 103.8° ያካትታሉ። የዩኒት ሴል የተጠማዘዘ ቴትራሄድራል ቅንጅት ያላቸው የGa(I) አቶሞች እና ኦክታሄድራል ቅንጅት ያላቸው የGa(II) አቶሞችን ያካትታል። በ"በተጠማዘዘ ኩቢክ" ድርድር ውስጥ ሶስት የተለያዩ የኦክስጅን አቶሞች አደረጃጀቶች አሉ፣ ሁለት ባለ ሶስት ማዕዘን የተቀናጁ O(I) እና O(II) አቶሞች እና አንድ ቴትራሄድራል የተቀናጀ O(III) አቶም ያካትታሉ። የእነዚህ ሁለት የአቶሚክ ቅንጅት ዓይነቶች ጥምረት በፊዚክስ፣ በኬሚካል ዝገት፣ በኦፕቲክስ እና በኤሌክትሮኒክስ ውስጥ ልዩ ባህሪያት ያሉት የβ-Ga2O3 አኒሶትሮፒ ያስከትላል።

ምስል 1 የሞኖክሊኒክ β-Ga2O3 ክሪስታል ንድፍ አወቃቀር ንድፍ

ከኢነርጂ ባንድ ቲዎሪ አንፃር፣ የβ-Ga2O3 የኮንዳሽን ባንድ ዝቅተኛ እሴት የተገኘው ከGa አቶም 4s0 ድብልቅ ምህዋር ጋር ከሚዛመደው የኢነርጂ ሁኔታ ነው። በኮንዳክሽን ባንድ ዝቅተኛ እሴት እና በቫክዩም ኢነርጂ ደረጃ (ኤሌክትሮን አፊኒቲ ኢነርጂ) መካከል ያለው የኢነርጂ ልዩነት የሚለካው 4 eV ነው። የβ-Ga2O3 ውጤታማ የኤሌክትሮን ክብደት እንደ 0.28–0.33 me እና ተስማሚ የኤሌክትሮኒክስ ኮንዳክሽን ይለካል። ሆኖም፣ የቫለንታይን ባንድ ከፍተኛው በጣም ዝቅተኛ ኩርባ እና በጥብቅ የተተረጎሙ O2p ምህዋሮች ያሉት ጥልቀት የሌለው የEk ኩርባ ያሳያል፣ ይህም ቀዳዳዎቹ በጥልቀት የተተረጎሙ መሆናቸውን ይጠቁማል። እነዚህ ባህሪያት በβ-Ga2O3 ውስጥ የp-አይነት ዶፒንግ ለማግኘት ትልቅ ፈተና ይፈጥራሉ። የP-አይነት ዶፒንግ ቢሳካም፣ ቀዳዳው μ በጣም ዝቅተኛ ደረጃ ላይ ይቆያል። 2. የጅምላ ጋሊየም ኦክሳይድ ነጠላ ክሪስታል እድገት እስካሁን ድረስ የβ-Ga2O3 የጅምላ ነጠላ ክሪስታል ንጣፍ የእድገት ዘዴ በዋናነት እንደ Czochralski (CZ)፣ በጠርዝ የተገለጸ ቀጭን ፊልም መመገቢያ ዘዴ (Edge -Defined film-fed, EFG)፣ Bridgman (rtical or horizontal Bridgman, HB or VB) እና ተንሳፋፊ ዞን (floating zone, FZ) ቴክኖሎጂ ያሉ ክሪስታል መጎተት ዘዴ ነው። ከሁሉም ዘዴዎች መካከል Czochralski እና በጠርዝ የተገለጹ ቀጭን ፊልም መመገቢያ ዘዴዎች ወደፊት የβ-Ga 2O3 ዋፈርዎችን በጅምላ ለማምረት በጣም ተስፋ ሰጪ መንገዶች እንደሚሆኑ ይጠበቃል፣ ምክንያቱም በተመሳሳይ ጊዜ ትልቅ መጠን እና ዝቅተኛ የጉድለት እፍጋት ማሳካት ይችላሉ። እስካሁን ድረስ የጃፓን ኖቭል ክሪስታል ቴክኖሎጂ ለቀለጠ እድገት β-Ga2O3 የንግድ ማትሪክስ አስገኝቷል።

1.1 የዞክራልስኪ ዘዴ

የዞክራልስኪ ዘዴ መርህ የዘር ንብርብር መጀመሪያ የተሸፈነ ሲሆን ከዚያም ነጠላ ክሪስታል ከቀለጠበት ቀስ በቀስ ይወጣል። የዞክራልስኪ ዘዴ ለβ-Ga2O3 በዋጋ አዋጭነቱ፣ በትልቅ መጠን አቅሙ እና ከፍተኛ የክሪስታል ጥራት ባለው የንጣፍ እድገት ምክንያት እየጨመረ የመጣ ጠቀሜታ አለው። ሆኖም፣ በGa2O3 ከፍተኛ የሙቀት መጠን እድገት ወቅት በሚከሰት የሙቀት ጭንቀት ምክንያት፣ የነጠላ ክሪስታሎች ትነት፣ የቀለጡ ቁሳቁሶች እና በIR crucible ላይ የሚደርስ ጉዳት ይከሰታል። ይህ በGa2O3 ውስጥ ዝቅተኛ የn-አይነት ዶፒንግ ለማግኘት ባለው ችግር ምክንያት ነው። ተገቢውን የኦክስጅን መጠን ወደ እድገት ከባቢ አየር ማስገባት ይህንን ችግር ለመፍታት አንዱ መንገድ ነው። በማመቻቸት፣ ከፍተኛ ጥራት ያለው 2-ኢንች β-Ga2O3 ከ10^16~10^19 ሴ.ሜ-3 ነፃ የኤሌክትሮን ክምችት ክልል እና ከፍተኛው 160 ሴ.ሜ/ቪዎች የኤሌክትሮን ጥግግት በCzochralski ዘዴ በተሳካ ሁኔታ አድጓል።

ምስል 2 በዞክራልስኪ ዘዴ የሚበቅለው የβ-Ga2O3 ነጠላ ክሪስታል

1.2 በጠርዝ የተገለጸ የፊልም አመጋገብ ዘዴ

በጠርዙ ላይ የተገለጸው ቀጭን የፊልም መመገቢያ ዘዴ ለትላልቅ ቦታዎች የGa2O3 ነጠላ ክሪስታል ቁሳቁሶች የንግድ ምርት ግንባር ቀደም ተፎካካሪ እንደሆነ ይታሰባል። የዚህ ዘዴ መርህ ማቅለጡን በካፒላሪ ስፕሊት ባለው ሻጋታ ውስጥ ማስቀመጥ ሲሆን ማቅለጡም በካፒላሪ ተግባር ወደ ሻጋታው ይወጣል። ከላይ፣ ቀጭን ፊልም በዘር ክሪስታል እንዲፈጠር ሲደረግ በሁሉም አቅጣጫዎች ይሰራጫል እና ይሰራጫል። በተጨማሪም፣ የሻጋታው የላይኛው ጠርዝ በፍሌክስ፣ ቱቦዎች ወይም በማንኛውም በሚፈለገው ጂኦሜትሪ ውስጥ ክሪስታሎችን ለማምረት ቁጥጥር ሊደረግበት ይችላል። የGa2O3 ጠርዝ ላይ የተገለጸው ቀጭን የፊልም መመገቢያ ዘዴ ፈጣን የእድገት መጠኖችን እና ትላልቅ ዲያሜትሮችን ይሰጣል። ምስል 3 የβ-Ga2O3 ነጠላ ክሪስታል ዲያግራም ያሳያል። በተጨማሪም፣ በመጠን ልኬት ረገድ፣ እጅግ በጣም ጥሩ ግልጽነት እና ወጥነት ያላቸው 2-ኢንች እና 4-ኢንች β-Ga2O3 ንጣፎች ለንግድ ተሻሽለዋል፣ የ6-ኢንች ንጣፍ ደግሞ ለወደፊት የንግድ ሥራ ምርምር ታይቷል። በቅርቡ፣ ትላልቅ ክብ ነጠላ-ክሪስታል የጅምላ ቁሳቁሶች በ (−201) አቅጣጫም ይገኛሉ። በተጨማሪም፣ የβ-Ga2O3 ጠርዝ ላይ የተገለጸው የፊልም መመገቢያ ዘዴ የሽግግር ብረት ንጥረ ነገሮችን ዶፒንግ ያበረታታል፣ ይህም የGa2O3 ምርምር እና ዝግጅት እንዲቻል ያደርገዋል።

ምስል 3 በጠርዝ-በተገለጸ የፊልም አመጋገብ ዘዴ የሚበቅል β-Ga2O3 ነጠላ ክሪስታል

1.3 የብሪጅማን ዘዴ

በብሪጅማን ዘዴ፣ ክሪስታሎች የሚፈጠሩት በሙቀት ቅልመት ቀስ በቀስ በሚንቀሳቀስ ክሩሲብል ውስጥ ነው። ሂደቱ በአግድም ወይም በአቀባዊ አቅጣጫ ሊከናወን ይችላል፣ ብዙውን ጊዜ የሚሽከረከር ክሩሲብል በመጠቀም። ይህ ዘዴ የክሪስታል ዘሮችን ሊጠቀም ወይም ላይጠቀም እንደሚችል ልብ ሊባል ይገባል። ባህላዊ የብሪጅማን ኦፕሬተሮች የማቅለጥ እና የክሪስታል እድገት ሂደቶችን ቀጥተኛ እይታ የላቸውም እና የሙቀት መጠኑን በከፍተኛ ትክክለኛነት መቆጣጠር አለባቸው። አቀባዊ የብሪጅማን ዘዴ በዋናነት ለβ-Ga2O3 እድገት የሚያገለግል ሲሆን በአየር አካባቢ ውስጥ የማደግ ችሎታው ይታወቃል። በአቀባዊ የብሪጅማን ዘዴ የእድገት ሂደት ወቅት የማቅለጥ እና የክሩሲብል አጠቃላይ የጅምላ ኪሳራ ከ 1% በታች ይቀመጣል፣ ይህም አነስተኛ ኪሳራ ያለው ትልቅ β-Ga2O3 ነጠላ ክሪስታሎች እንዲያድጉ ያስችላል።

ምስል 4 በብሪጅማን ዘዴ የሚበቅለው የβ-Ga2O3 ነጠላ ክሪስታል

1.4 የተንሳፋፊ ዞን ዘዴ

የተንሳፋፊው ዞን ዘዴ በክሪስታል ብክለት ምክንያት የሚከሰተውን ችግር የሚፈታ ሲሆን ከፍተኛ የሙቀት መጠንን የሚቋቋም የኢንፍራሬድ ክሩብልስ ጋር ተያይዞ የሚመጣውን ከፍተኛ ወጪ ይቀንሳል። በዚህ የእድገት ሂደት ውስጥ ማቅለጡ በRF ምንጭ ሳይሆን በመብራት ሊሞቅ ይችላል፣ በዚህም ለእድገት መሳሪያዎች የሚያስፈልጉትን መስፈርቶች ያቃልላል። በተንሳፋፊው ዞን ዘዴ የሚበቅለው የβ-Ga2O3 ቅርፅ እና ክሪስታል ጥራት እስካሁን ጥሩ ባይሆንም፣ ይህ ዘዴ ከፍተኛ ንፅህና β-Ga2O3ን ወደ በጀት ተስማሚ ነጠላ ክሪስታሎች ለማሳደግ ተስፋ ሰጪ ዘዴን ይከፍታል።

ምስል 5 በተንሳፋፊ ዞን ዘዴ የሚበቅለው β-Ga2O3 ነጠላ ክሪስታል።