ጋሊየም ኦክሳይድ ነጠላ ክሪስታል እና ኤፒታክሲያል እድገት ቴክኖሎጂ

በሲሊኮን ካርቦይድ (ሲሲ) እና ጋሊየም ናይትራይድ (ጋኤን) የተወከሉት ሰፊ ባንድጋፕ (ደብሊውቢጂ) ሴሚኮንዳክተሮች ሰፊ ትኩረት አግኝተዋል።ሰዎች በኤሌክትሪክ ተሽከርካሪዎች እና በኤሌክትሪክ መረቦች ውስጥ ያለው የሲሊኮን ካርቦይድ መተግበሪያ እና እንዲሁም የጋሊየም ናይትራይድ ፈጣን ኃይልን የመተግበር ተስፋዎች ከፍተኛ ተስፋ አላቸው።በቅርብ ዓመታት ውስጥ በጋ2O3፣ በአልኤን እና በአልማዝ ቁሶች ላይ የተደረገ ጥናት ከፍተኛ እድገት አስመዝግቧል፣ ይህም እጅግ በጣም ሰፊ የሆነ የባንድጋፕ ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁሶችን የትኩረት ትኩረት አድርጎታል።ከነሱ መካከል ጋሊየም ኦክሳይድ (Ga2O3) ብቅ ያለው እጅግ በጣም ሰፊ-ባንድጋፕ ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁስ ሲሆን የ 4.8 eV ባንድ ክፍተት ያለው ፣ 8 ኤምቪ ሴሜ -1 የሆነ በንድፈ-ሀሳባዊ ወሳኝ ብልሽት የመስክ ጥንካሬ ፣ ወደ 2E7cm s-1 ሙሌት ፍጥነት። እና ከፍተኛ የቮልቴጅ እና ከፍተኛ ድግግሞሽ ሃይል ኤሌክትሮኒክስ መስክ ውስጥ ሰፊ ትኩረት በመቀበል የ 3000 ከፍተኛ የባሊጋ ጥራት.

1. ጋሊየም ኦክሳይድ ቁሳዊ ባህሪያት
Ga2O3 ትልቅ የባንድ ክፍተት (4.8 eV) ያለው ሲሆን ሁለቱንም ከፍተኛ የመቋቋም እና ከፍተኛ የሃይል አቅምን እንደሚያሳካ ይጠበቃል እና በአንፃራዊነት ዝቅተኛ የመቋቋም አቅም ከፍተኛ የቮልቴጅ መላመድ አቅም ሊኖረው ይችላል ይህም የአሁኑ የምርምር ትኩረት ያደርጋቸዋል።በተጨማሪም, Ga2O3 እጅግ በጣም ጥሩ የቁሳቁስ ባህሪያት ብቻ ሳይሆን የተለያዩ በቀላሉ የሚስተካከሉ የ n-type doping ቴክኖሎጂዎችን, እንዲሁም ዝቅተኛ ዋጋ ያለው የንጥረ-ነገር እድገት እና ኤፒታክሲስ ቴክኖሎጂዎችን ያቀርባል.እስካሁን፣ በGa2O3 ውስጥ አምስት የተለያዩ ክሪስታል ደረጃዎች ተገኝተዋል፣ እነዚህም corundum (α)፣ ሞኖክሊኒክ (β)፣ ጉድለት ያለበት የአከርካሪ አጥንት (γ)፣ ኪዩቢክ (δ) እና orthorhombic (ɛ) ደረጃዎችን ጨምሮ።ቴርሞዳይናሚክስ መረጋጋት በቅደም ተከተል γ፣ δ፣ α፣ ɛ እና β ናቸው።ሞኖክሊኒክ β-Ga2O3 በጣም የተረጋጋ ነው ፣ በተለይም በከፍተኛ የሙቀት መጠን ፣ ሌሎች ደረጃዎች ከክፍል ሙቀት በላይ የሚለዋወጡ እና በተወሰኑ የሙቀት ሁኔታዎች ውስጥ ወደ β-ደረጃ የመቀየር አዝማሚያ እንዳላቸው ልብ ሊባል ይገባል።ስለዚህ በ β-Ga2O3 ላይ የተመሰረቱ መሳሪያዎች ልማት በቅርብ ዓመታት በኤሌክትሪክ ኃይል ኤሌክትሮኒክስ መስክ ውስጥ ትልቅ ትኩረት ሆኗል.

ሠንጠረዥ 1 የአንዳንድ ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁስ መለኪያዎችን ማነፃፀር

የ monoclinicβ-Ga2O3 ክሪስታል መዋቅር በሰንጠረዥ 1 ውስጥ ይታያል.የእሱ መመዘኛዎች a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, እና β = 103.8 ° ያካትታሉ.የንጥል ሴል ጋ(I) አተሞች የተጠማዘዘ ቴትራሄድራል ቅንጅት እና ጋ(II) አተሞች ከስምንትዮሽ ቅንጅት ጋር ያቀፈ ነው።በ"ጠማማ ኪዩቢክ" ድርድር ውስጥ ሶስት የተለያዩ የኦክስጂን አቶሞች አደረጃጀቶች አሉ፣ እነዚህም ሁለት ባለሶስት ማዕዘን የተቀናጁ O(I) እና O(II) አቶሞች እና አንድ በቴትራሄድራሊ የተቀናጀ ኦ(III) አቶም።የእነዚህ ሁለት የአቶሚክ ቅንጅት ዓይነቶች ጥምረት ወደ β-Ga2O3 ፊዚክስ ፣ ኬሚካዊ ዝገት ፣ ኦፕቲክስ እና ኤሌክትሮኒክስ ውስጥ ልዩ ባህሪዎችን ወደ anisotropy ይመራል ።

ምስል 1 የሞኖክሊኒክ β-Ga2O3 ክሪስታል ንድፍ መዋቅራዊ ንድፍ

ከኢነርጂ ባንድ ንድፈ ሃሳብ አንጻር የ β-Ga2O3 የመተላለፊያ ባንድ ዝቅተኛው እሴት ከ 4s0 ዲቃላ ምህዋር ጋ አቶም ጋር ከሚዛመደው የኢነርጂ ሁኔታ የተገኘ ነው።በኮንዳክሽን ባንድ አነስተኛ እሴት እና በቫኩም ኢነርጂ ደረጃ (ኤሌክትሮን አፊኒቲ ኢነርጂ) መካከል ያለው የኃይል ልዩነት ይለካል።4 ኢቪ ነው።የ β-Ga2O3 ውጤታማ የኤሌክትሮኖች ብዛት ልክ እንደ 0.28-0.33 ሜ እና ተስማሚ የኤሌክትሮኒክስ ኮንዳክሽን ይለካል።ነገር ግን፣ የቫሌንስ ባንድ ከፍተኛው ጥልቀት የሌለው ኢክ ከርቭ በጣም ዝቅተኛ ኩርባ ያለው እና O2p orbitals አጥብቆ የተተረጎመ ሲሆን ይህም ቀዳዳዎቹ በጥልቀት የተተረጎሙ መሆናቸውን ይጠቁማል።እነዚህ ባህሪያት በ β-Ga2O3 ውስጥ p-type doping ለማግኘት ትልቅ ፈተና ይፈጥራሉ።የፒ-አይነት ዶፒንግ ማግኘት ቢቻልም, ቀዳዳው μ በጣም ዝቅተኛ ደረጃ ላይ ይቆያል.2. የጅምላ ጋሊየም ኦክሳይድ ነጠላ ክሪስታል እድገት እስካሁን ድረስ የ β-Ga2O3 የጅምላ ነጠላ ክሪስታል ንጣፍ የማደግ ዘዴ በዋናነት ክሪስታል መጎተቻ ዘዴ ነው፣ ለምሳሌ Czochralski (CZ)፣ በጠርዝ የተገለጸ ቀጭን ፊልም የመመገብ ዘዴ (Edge -Defined film-Fed) , EFG), Bridgman (rtical ወይም horizontal Bridgman, HB ወይም VB) እና ተንሳፋፊ ዞን (ተንሳፋፊ ዞን, FZ) ቴክኖሎጂ.ከሁሉም ዘዴዎች መካከል የ Czochralski እና የጠርዝ ቅርጽ ያለው ቀጭን ፊልም የመመገቢያ ዘዴዎች ለወደፊቱ የ β-Ga 2O3 ዋፍሎችን በብዛት ለማምረት በጣም ተስፋ ሰጭ መንገዶች ይጠበቃሉ, ምክንያቱም በአንድ ጊዜ ትልቅ መጠን እና ዝቅተኛ ጉድለት እፍጋቶችን ማግኘት ይችላሉ.እስካሁን ድረስ፣ የጃፓን ልቦለድ ክሪስታል ቴክኖሎጂ ለማቅለጥ ዕድገት β-Ga2O3 የንግድ ማትሪክስ አግኝቷል።

2.1 Czochralski ዘዴ
የ Czochralski ዘዴ መርህ የዘር ሽፋኑ መጀመሪያ የተሸፈነ ነው, ከዚያም ነጠላ ክሪስታል ከመቅለጥ ውስጥ ቀስ ብሎ ይወጣል.የ Czochralski ዘዴ ለ β-Ga2O3 በዋጋ ቆጣቢነቱ ፣ ትልቅ መጠን ያለው ችሎታዎች እና ከፍተኛ ጥራት ያለው የንዑስ ንጣፍ እድገት ምክንያት በጣም አስፈላጊ ነው።ነገር ግን በጋ2O3 ከፍተኛ የሙቀት መጠን እድገት ወቅት በሙቀት ጭንቀት ምክንያት ነጠላ ክሪስታሎች መትነን, ማቅለጥ እና የ Ir crucible መበላሸት ይከሰታል.ይህ በ Ga2O3 ውስጥ ዝቅተኛ n-አይነት ዶፒንግ ለማግኘት ያለው ችግር ውጤት ነው።ተገቢውን የኦክስጂን መጠን ወደ እድገት ከባቢ አየር ማስተዋወቅ ይህንን ችግር ለመፍታት አንዱ መንገድ ነው።በማመቻቸት ከፍተኛ ጥራት ያለው 2-ኢንች β-Ga2O3 ነፃ ኤሌክትሮን የማጎሪያ ክልል 10 ^ 16 ~ 10 ^ 19 ሴ.ሜ - 3 እና ከፍተኛው የ 160 ሴ.ሜ 2/Vs የኤሌክትሮኖች ብዛት በCzochralski ዘዴ በተሳካ ሁኔታ አድጓል።

ምስል 2 በ Czochralski ዘዴ የሚበቅለው የ β-Ga2O3 ነጠላ ክሪስታል

2.2 በጠርዝ-የተገለጸ የፊልም አመጋገብ ዘዴ
በጠርዙ የተገለፀው ቀጭን ፊልም የመመገብ ዘዴ ለትልቅ ቦታ Ga2O3 ነጠላ ክሪስታል ቁሶች ለንግድ ስራ ቀዳሚ ተወዳዳሪ እንደሆነ ይታሰባል።የዚህ ዘዴ መርህ ማቅለጫውን በካፒታል መሰንጠቂያው ውስጥ ባለው ሻጋታ ውስጥ ማስቀመጥ ነው, እና ማቅለጫው በካፒላሪ እርምጃ ወደ ሻጋታ ይወጣል.ከላይ በዘር ክሪስታል ወደ ክሪስታል እንዲፈጠር በሚደረግበት ጊዜ ቀጭን ፊልም ይሠራል እና በሁሉም አቅጣጫዎች ይሰራጫል.በተጨማሪም የሻጋታውን ጫፍ ጠርዞቹን በፍሌክስ፣ ቱቦዎች ወይም በማንኛውም የተፈለገው ጂኦሜትሪ ውስጥ ክሪስታሎችን ለማምረት መቆጣጠር ይቻላል።የ Ga2O3 ጠርዝ-የተወሰነ ቀጭን ፊልም የመመገብ ዘዴ ፈጣን የእድገት ደረጃዎችን እና ትላልቅ ዲያሜትሮችን ያቀርባል.ምስል 3 የ β-Ga2O3 ነጠላ ክሪስታል ንድፍ ያሳያል።በተጨማሪም በመጠን ሚዛን 2-ኢንች እና 4-ኢንች β-Ga2O3 ንጣፎች እጅግ በጣም ጥሩ ግልጽነት እና ተመሳሳይነት ያላቸው ለገበያ ቀርበዋል፣ የ6-ኢንች ንጣፍ ደግሞ ለወደፊት የንግድ ስራ በምርምር ታይቷል።በቅርብ ጊዜ፣ ትልቅ ክብ ነጠላ-ክሪስታል የጅምላ ቁሶች እንዲሁ በ(-201) አቅጣጫ ይገኛሉ።በተጨማሪም, β-Ga2O3 በጠርዝ-የተገለጸው የፊልም አመጋገብ ዘዴ የሽግግር ብረት ንጥረ ነገሮችን ዶፒንግ (doping) ያበረታታል, ይህም የ Ga2O3 ምርምር እና ዝግጅት ማድረግ ይቻላል.

ምስል 3 β-Ga2O3 ነጠላ ክሪስታል በጠርዝ-የተገለፀ የፊልም አመጋገብ ዘዴ አድጓል።

2.3 ብሪጅማን ዘዴ
በብሪጅማን ዘዴ ውስጥ, ክሪስታሎች የሚፈጠሩት በሙቀቱ ውስጥ ቀስ በቀስ በሚንቀሳቀስ ክሬም ውስጥ ነው.ሂደቱ በአግድም ወይም በአቀባዊ አቅጣጫ ሊከናወን ይችላል, ብዙውን ጊዜ የሚሽከረከር ክሬን በመጠቀም.ይህ ዘዴ ክሪስታል ዘሮችን ሊጠቀም ወይም ላይጠቀም እንደሚችል ልብ ሊባል የሚገባው ጉዳይ ነው።የባህላዊ ብሪጅማን ኦፕሬተሮች ስለ መቅለጥ እና ክሪስታል እድገት ሂደቶች ቀጥተኛ እይታ የላቸውም እና የሙቀት መጠንን በከፍተኛ ትክክለኛነት መቆጣጠር አለባቸው።የቋሚ Bridgman ዘዴ በዋናነት ለ β-Ga2O3 እድገት የሚያገለግል ሲሆን በአየር አከባቢ ውስጥ በማደግ ችሎታው ይታወቃል.በአቀባዊ Bridgman ዘዴ የእድገት ሂደት ውስጥ የሟሟ እና የክሩሲብል አጠቃላይ የጅምላ ኪሳራ ከ 1% በታች ይቀመጣል ፣ ይህም ትልቅ β-Ga2O3 ነጠላ ክሪስታሎች በትንሹ ኪሳራ እንዲያድጉ ያስችላቸዋል።

ምስል 4 በብሪጅማን ዘዴ የሚበቅል የβ-Ga2O3 ነጠላ ክሪስታል

2.4 ተንሳፋፊ ዞን ዘዴ
ተንሳፋፊው ዞን ዘዴ ክሪስታል ብክለትን ችግር በሚፈጥሩ ቁሳቁሶች መፍትሄ ይሰጣል እና ከፍተኛ ሙቀትን የሚቋቋም የኢንፍራሬድ ክሬዲት ጋር የተያያዙ ከፍተኛ ወጪዎችን ይቀንሳል.በዚህ የእድገት ሂደት ውስጥ ማቅለጫው ከ RF ምንጭ ይልቅ በመብራት ሊሞቅ ይችላል, ስለዚህ ለእድገት መሳሪያዎች የሚያስፈልጉትን ነገሮች ቀላል ያደርገዋል.ምንም እንኳን በተንሳፋፊ ዞን ዘዴ የሚበቅለው የ β-Ga2O3 ቅርፅ እና ክሪስታል ጥራት ገና ጥሩ ባይሆንም ይህ ዘዴ ከፍተኛ ንፅህናን β-Ga2O3 ወደ በጀት ተስማሚ ነጠላ ክሪስታሎች ለማሳደግ ተስፋ ሰጪ ዘዴን ይከፍታል።

ምስል 5 β-Ga2O3 ነጠላ ክሪስታል በተንሳፋፊው ዞን ዘዴ አድጓል።