تقنية بلورة أكسيد الغاليوم المفردة والنمو الطبقي

حظيت أشباه الموصلات واسعة النطاق (WBG)، والممثلة بكربيد السيليكون (SiC) ونتريد الغاليوم (GaN)، باهتمام واسع. ويُعلّق الناس آمالًا كبيرة على آفاق استخدام كربيد السيليكون في المركبات الكهربائية وشبكات الطاقة، بالإضافة إلى آفاق استخدام نتريد الغاليوم في الشحن السريع. في السنوات الأخيرة، أحرزت الأبحاث المتعلقة بمواد Ga2O3 وAlN والماس تقدمًا ملحوظًا، مما جعل مواد أشباه الموصلات فائقة النطاق العريض محط الاهتمام. ومن بينها، يُعد أكسيد الغاليوم (Ga2O3) مادة أشباه موصلات فائقة النطاق العريض ناشئة، بفجوة نطاق تبلغ 4.8 إلكترون فولت، وقوة مجال انهيار حرجة نظرية تبلغ حوالي 8 ميجا فولت/سم²، وسرعة تشبع تبلغ حوالي 2E7 سم²، ومعامل جودة باليغا مرتفع يبلغ 3000، وقد حظيت باهتمام واسع في مجال إلكترونيات الطاقة عالية الجهد والتردد.

1. خصائص مادة أكسيد الجاليوم

يتميز Ga2O3 بفجوة نطاق كبيرة (4.8 إلكترون فولت)، ومن المتوقع أن يحقق كلاً من جهد تحمل عالي وقدرات عالية على الطاقة، ويمكن أن يكون لديه القدرة على التكيف مع الجهد العالي عند مقاومة منخفضة نسبيًا، مما يجعله محور البحث الحالي. بالإضافة إلى ذلك، لا يتمتع Ga2O3 بخصائص مادية ممتازة فحسب، بل يوفر أيضًا مجموعة متنوعة من تقنيات التطعيم من النوع n القابلة للتعديل بسهولة، بالإضافة إلى تقنيات نمو الركيزة منخفضة التكلفة والتكوين الطبقي. حتى الآن، تم اكتشاف خمس مراحل بلورية مختلفة في Ga2O3، بما في ذلك طور الكوراندوم (α)، والطور أحادي الميل (β)، والطور المعيب (γ)، والطور المكعب (δ)، والطور المعيني القائم (ɛ). الاستقرارات الديناميكية الحرارية هي، بالترتيب، γ، δ، α، ɛ، وβ. تجدر الإشارة إلى أن β-Ga2O3 أحادي الميل هو الأكثر استقرارًا، خاصة في درجات الحرارة العالية، بينما تكون المراحل الأخرى شبه مستقرة فوق درجة حرارة الغرفة وتميل إلى التحول إلى الطور β في ظل ظروف حرارية محددة. ولذلك، أصبح تطوير الأجهزة المعتمدة على β-Ga2O3 محوراً رئيسياً في مجال إلكترونيات الطاقة في السنوات الأخيرة.

الجدول 1 مقارنة بعض معلمات المواد شبه الموصلة

يوضح الجدول 1 التركيب البلوري لـ β-Ga2O3 أحادي الميل. تشمل معلمات شبكته: a = 12.21 Å، b = 3.04 Å، c = 5.8 Å، وβ = 103.8°. تتكون الخلية الوحدوية من ذرات Ga(I) بتنسيق رباعي السطوح ملتوي، وذرات Ga(II) بتنسيق ثماني السطوح. يوجد ثلاثة ترتيبات مختلفة لذرات الأكسجين في المصفوفة "المكعبة الملتوية"، بما في ذلك ذرتان O(I) وO(II) بتنسيق مثلثي، وذرة O(III) بتنسيق رباعي السطوح. يؤدي دمج هذين النوعين من التنسيق الذري إلى تباين خواص β-Ga2O3، الذي يتميز بخصائص مميزة في الفيزياء، والتآكل الكيميائي، والبصريات، والإلكترونيات.

الشكل 1 مخطط هيكلي تخطيطي لبلورة β-Ga2O3 أحادية الميل

من منظور نظرية نطاق الطاقة، تُشتق القيمة الدنيا لنطاق التوصيل لمركب β-Ga2O3 من حالة الطاقة المقابلة للمدار الهجين 4s0 لذرة Ga. يُقاس فرق الطاقة بين القيمة الدنيا لنطاق التوصيل ومستوى طاقة الفراغ (طاقة ألفة الإلكترون) بمقدار 4 إلكترون فولت. تُقاس الكتلة الإلكترونية الفعالة لمركب β-Ga2O3 بمقدار 0.28-0.33 ميكرومتر، وتتميز بموصلية إلكترونية جيدة. ومع ذلك، يُظهر أقصى نطاق تكافؤ منحنى Ek ضحلًا مع انحناء منخفض جدًا ومدارات O2p شديدة التمركز، مما يشير إلى أن الفجوات عميقة التمركز. تُشكل هذه الخصائص تحديًا كبيرًا لتحقيق التشويب من النوع p في مركب β-Ga2O3. حتى مع إمكانية تحقيق التشويب من النوع p، يبقى مستوى الثقب μ منخفضًا جدًا. ٢. نمو بلورة أحادية أكسيد الغاليوم السائبة. حتى الآن، تعتمد طريقة نمو ركيزة بلورة أحادية β-Ga2O3 السائبة بشكل أساسي على طريقة سحب البلورات، مثل تقنية Czochralski (CZ)، وطريقة تغذية الأغشية الرقيقة المحددة بالحافة (EFG)، وتقنية Bridgman (Bridgman عموديًا أو أفقيًا، HB أو VB)، وتقنية المنطقة العائمة (FZ). من بين جميع الطرق، يُتوقع أن تكون تقنية Czochralski وطريقة تغذية الأغشية الرقيقة المحددة بالحافة من أكثر الطرق الواعدة لإنتاج رقائق β-Ga 2O3 بكميات كبيرة في المستقبل، حيث يمكنها تحقيق أحجام كبيرة وكثافة عيوب منخفضة في آن واحد. حتى الآن، أنتجت شركة Novel Crystal Technology اليابانية مصفوفة تجارية لنمو β-Ga2O3 المنصهر.

1.1 طريقة تشوخرالسكي

مبدأ طريقة Czochralski هو تغطية طبقة البذرة أولاً، ثم يتم سحب البلورة المفردة ببطء من المصهور. تكتسب طريقة Czochralski أهمية متزايدة لـ β-Ga2O3 نظرًا لفعاليتها من حيث التكلفة وقدرات الحجم الكبير ونمو الركيزة عالية الجودة للبلورات. ومع ذلك، بسبب الإجهاد الحراري أثناء نمو Ga2O3 في درجة حرارة عالية، سيحدث تبخر البلورات المفردة ومواد المصهور وتلف بوتقة Ir. وهذا نتيجة لصعوبة تحقيق تشويب منخفض من النوع n في Ga2O3. يعد إدخال كمية مناسبة من الأكسجين في جو النمو إحدى طرق حل هذه المشكلة. من خلال التحسين، تم بنجاح زراعة β-Ga2O3 عالي الجودة بقياس 2 بوصة مع نطاق تركيز الإلكترون الحر من 10 ^ 16 ~ 10 ^ 19 سم -3 وكثافة إلكترونية قصوى تبلغ 160 سم 2 / Vs بواسطة طريقة Czochralski.

الشكل 2 بلورة مفردة من β-Ga2O3 المزروعة بطريقة Czochralski

1.2 طريقة تغذية الفيلم المحددة بالحافة

تُعتبر طريقة تغذية الأغشية الرقيقة المُحددة بالحافة الخيار الأمثل للإنتاج التجاري لمواد Ga2O3 أحادية البلورة واسعة المساحة. يعتمد مبدأ هذه الطريقة على وضع المصهور في قالب ذي شق شعري، ليرتفع المصهور إلى القالب بفعل الخاصية الشعرية. في الأعلى، يتشكل غشاء رقيق وينتشر في جميع الاتجاهات، بينما تُحفزه بلورة البذرة على التبلور. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن التحكم في حواف الجزء العلوي من القالب لإنتاج بلورات على شكل رقائق أو أنابيب أو أي شكل هندسي مرغوب. توفر طريقة تغذية الأغشية الرقيقة المُحددة بالحافة لـ Ga2O3 معدلات نمو سريعة وأقطار كبيرة. يوضح الشكل 3 مخططًا لبلورة أحادية β-Ga2O3. بالإضافة إلى ذلك، من حيث مقياس الحجم، تم تسويق ركائز β-Ga2O3 بسمك 2 بوصة و4 بوصات ذات شفافية وتوحيد ممتازين، بينما تم عرض الركيزة بسمك 6 بوصات في الأبحاث للتسويق التجاري المستقبلي. مؤخرًا، أصبحت مواد سائبة دائرية كبيرة أحادية البلورة متاحةً أيضًا باتجاه (−201). إضافةً إلى ذلك، تُعزز طريقة تغذية الغشاء المُحدد بحافة β-Ga2O3 تشويب عناصر المعادن الانتقالية، مما يُتيح إجراء أبحاث وتحضير Ga2O3.

الشكل 3 بلورة أحادية β-Ga2O3 نمت بطريقة تغذية الفيلم المحدد بالحافة

1.3 طريقة بريدجمان

في طريقة بريدجمان، تُشكَّل البلورات في بوتقة تُحرَّك تدريجيًا عبر تدرج حراري. يمكن إجراء العملية أفقيًا أو رأسيًا، وعادةً ما تستخدم بوتقة دوارة. تجدر الإشارة إلى أن هذه الطريقة قد تستخدم بذور البلورات أو لا تستخدمها. يفتقر مُشغِّلو بريدجمان التقليديون إلى التصور المباشر لعمليتي الذوبان ونمو البلورات، ويجب عليهم التحكم في درجات الحرارة بدقة عالية. تُستخدم طريقة بريدجمان العمودية بشكل أساسي لنمو β-Ga2O3، وهي معروفة بقدرتها على النمو في بيئة هوائية. خلال عملية النمو العمودية لطريقة بريدجمان، يتم الحفاظ على إجمالي فقدان الكتلة للمصهور والبوتقة أقل من 1%، مما يُتيح نمو بلورات أحادية كبيرة من β-Ga2O3 بأقل قدر من الفقد.

الشكل 4 بلورة مفردة من β-Ga2O3 المزروعة بطريقة بريدجمان

1.4 طريقة المنطقة العائمة

تحل طريقة المنطقة العائمة مشكلة تلوث البلورات بمواد البوتقة، وتُخفّض التكاليف الباهظة المرتبطة ببوتقات الأشعة تحت الحمراء المقاومة لدرجات الحرارة العالية. خلال عملية النمو هذه، يمكن تسخين المصهور بمصباح بدلاً من مصدر ترددات الراديو، مما يُبسّط متطلبات معدات النمو. على الرغم من أن شكل وجودة بلورات β-Ga2O3 المُنتَجة بطريقة المنطقة العائمة ليست مثالية بعد، إلا أن هذه الطريقة تُمهّد الطريق لطريقة واعدة لتنمية β-Ga2O3 عالي النقاء إلى بلورات أحادية اقتصادية.

الشكل 5 بلورة أحادية β-Ga2O3 نمت بطريقة المنطقة العائمة.