تقنية البلورات الأحادية لأكسيد الغاليوم وتقنية النمو المتناحي

حظيت أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريضة، والمتمثلة في كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN)، باهتمام واسع النطاق. ويُعقد الكثيرون على آفاق استخدام كربيد السيليكون في المركبات الكهربائية وشبكات الطاقة، وكذلك على نيتريد الغاليوم في الشحن السريع. وفي السنوات الأخيرة، أحرزت الأبحاث المتعلقة بمواد مثل أكسيد الغاليوم (Ga2O3) ونيتريد الألومنيوم (AlN) والماس تقدماً ملحوظاً، مما جعل مواد أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريضة للغاية محط اهتمام كبير. ومن بين هذه المواد، يُعد أكسيد الغاليوم (Ga2O3) مادةً ناشئةً من أشباه الموصلات ذات فجوة نطاق عريضة للغاية، حيث تبلغ فجوة نطاقه 4.8 إلكترون فولت، وقوة مجال الانهيار الحرج النظرية حوالي 8 ميجا فولت/سم، وسرعة تشبع حوالي 2 × 10⁷ سم/ث، ومعامل جودة باليغا عالي يبلغ 3000، مما جعله يحظى باهتمام واسع في مجال إلكترونيات الطاقة عالية الجهد والتردد.

1. خصائص مادة أكسيد الغاليوم

يتميز أكسيد الغاليوم (Ga2O3) بفجوة طاقة واسعة (4.8 إلكترون فولت)، ومن المتوقع أن يحقق قدرة تحمل عالية للجهد وقدرة عالية على توليد الطاقة، كما يتمتع بإمكانية التكيف مع الجهد العالي عند مقاومة منخفضة نسبيًا، مما يجعله محورًا للبحوث الحالية. إضافةً إلى ذلك، لا يتمتع Ga2O3 بخصائص مادية ممتازة فحسب، بل يوفر أيضًا مجموعة متنوعة من تقنيات التطعيم من النوع n سهلة التعديل، فضلًا عن تقنيات نمو الركائز والترسيب الطبقي منخفضة التكلفة. حتى الآن، تم اكتشاف خمسة أطوار بلورية مختلفة في Ga2O3، وهي: الكوروندوم (α)، أحادي الميل (β)، الإسبينيل المعيب (γ)، المكعب (δ)، والمعيني القائم (ε). وتكون الاستقرارية الديناميكية الحرارية، بالترتيب، كالتالي: γ، δ، α، ε، β. ومن الجدير بالذكر أن طور β-Ga2O3 أحادي الميل هو الأكثر استقرارًا، خاصةً عند درجات الحرارة العالية، بينما تكون الأطوار الأخرى غير مستقرة فوق درجة حرارة الغرفة وتميل إلى التحول إلى طور β في ظل ظروف حرارية محددة. لذلك، أصبح تطوير الأجهزة القائمة على β-Ga2O3 محورًا رئيسيًا في مجال إلكترونيات الطاقة في السنوات الأخيرة.

الجدول 1: مقارنة بعض معايير مواد أشباه الموصلات

يُبيّن الجدول 1 التركيب البلوري لمركب β-Ga₂O₃ أحادي الميل. تتضمن معلمات الشبكة البلورية: a = 12.21 Å، b = 3.04 Å، c = 5.8 Å، وβ = 103.8°. تتكون وحدة الخلية من ذرات Ga(I) ذات تنسيق رباعي الأوجه ملتوي، وذرات Ga(II) ذات تنسيق ثماني الأوجه. توجد ثلاثة ترتيبات مختلفة لذرات الأكسجين في الترتيب المكعب الملتوي، تشمل ذرتي O(I) وO(II) بتنسيق مثلثي، وذرة O(III) واحدة بتنسيق رباعي الأوجه. يؤدي الجمع بين هذين النوعين من التنسيق الذري إلى تباين الخواص في β-Ga₂O₃، مما يمنحه خصائص مميزة في الفيزياء، والتآكل الكيميائي، والبصريات، والإلكترونيات.

الشكل 1: مخطط هيكلي تخطيطي لبلورة β-Ga2O3 أحادية الميل

من منظور نظرية نطاقات الطاقة، تُستنتج القيمة الدنيا لنطاق التوصيل في β-Ga₂O₃ من حالة الطاقة الموافقة للمدار الهجين 4s⁰ لذرة الغاليوم. وقد قُيس فرق الطاقة بين القيمة الدنيا لنطاق التوصيل ومستوى طاقة الفراغ (طاقة ألفة الإلكترون)، وبلغ 4 إلكترون فولت. وقُيست الكتلة الإلكترونية الفعالة لـ β-Ga₂O₃ بـ 0.28-0.33 وحدة كتلة الإلكترون، مما يُشير إلى موصلية إلكترونية جيدة. مع ذلك، يُظهر الحد الأقصى لنطاق التكافؤ منحنى طاقة إلكترونية ضحلًا بانحناء منخفض جدًا ومدارات O₂p متمركزة بشدة، مما يُشير إلى تمركز عميق للفجوات. تُشكل هذه الخصائص تحديًا كبيرًا لتحقيق التطعيم من النوع p في β-Ga₂O₃. حتى في حال تحقيق التطعيم من النوع p، تبقى طاقة الفجوة μ عند مستوى منخفض جدًا. ٢. نمو بلورات أكسيد الغاليوم أحادية الحجم: حتى الآن، تعتمد طريقة نمو ركائز بلورات β-Ga₂O₃ أحادية الحجم بشكل أساسي على سحب البلورات، مثل طريقة تشوخرالسكي (CZ)، وطريقة التغذية بالأغشية الرقيقة المحددة الحواف (EFG)، وطريقة بريدجمان (العمودية أو الأفقية، HB أو VB)، وتقنية المنطقة العائمة (FZ). ومن بين جميع الطرق، يُتوقع أن تكون طريقتي تشوخرالسكي والتغذية بالأغشية الرقيقة المحددة الحواف من أكثر الطرق الواعدة للإنتاج الضخم لرقائق β-Ga₂O₃ في المستقبل، حيث يمكنهما تحقيق أحجام كبيرة وكثافة عيوب منخفضة في آن واحد. وقد طورت شركة Novel Crystal Technology اليابانية حتى الآن مصفوفة تجارية لنمو β-Ga₂O₃ من المصهور.

1.1 طريقة تشوخرالسكي

تعتمد طريقة تشوخرالسكي على تغطية طبقة البذور أولًا، ثم سحب البلورة الأحادية ببطء من المصهور. وتكتسب هذه الطريقة أهمية متزايدة في إنتاج β-Ga2O3 نظرًا لفعاليتها من حيث التكلفة، وإمكانية إنتاج أحجام كبيرة، وجودة البلورات العالية على الركيزة. مع ذلك، ونظرًا للإجهاد الحراري أثناء نمو Ga2O3 عند درجات حرارة عالية، يحدث تبخر للبلورات الأحادية ومواد المصهور، وتلف لبوتقة الإيريديوم. ويعود ذلك إلى صعوبة تحقيق تشويب منخفض من النوع n في Ga2O3. ويُعدّ إدخال كمية مناسبة من الأكسجين إلى جو النمو أحد الحلول لهذه المشكلة. ومن خلال التحسين، تم بنجاح إنتاج بلورات β-Ga2O3 عالية الجودة بحجم 2 بوصة، بتركيز إلكترونات حرة يتراوح بين 10^16 و10^19 سم-3، وكثافة إلكترونية قصوى تبلغ 160 سم2/فولت.ثانية، باستخدام طريقة تشوخرالسكي.

الشكل 2: بلورة أحادية من β-Ga2O3 تم إنماؤها بطريقة تشوخرالسكي

1.2 طريقة تغذية الفيلم المحددة الحواف

تُعتبر طريقة التغذية بالأغشية الرقيقة ذات الحواف المحددة الخيار الأمثل لإنتاج بلورات أحادية من أكسيد الغاليوم (Ga2O3) ذات مساحة كبيرة على نطاق تجاري. وتقوم هذه الطريقة على وضع المادة المنصهرة في قالب مزود بفتحة شعرية، حيث ترتفع المادة المنصهرة إلى القالب بفعل الخاصية الشعرية. في الأعلى، تتشكل طبقة رقيقة تنتشر في جميع الاتجاهات، ويتم تحفيزها على التبلور بواسطة بلورة البذرة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن التحكم في حواف الجزء العلوي من القالب لإنتاج بلورات على شكل رقائق أو أنابيب أو أي شكل هندسي مطلوب. توفر طريقة التغذية بالأغشية الرقيقة ذات الحواف المحددة لأكسيد الغاليوم (Ga2O3) معدلات نمو سريعة وأقطارًا كبيرة. يوضح الشكل 3 رسمًا تخطيطيًا لبلورة أحادية من β-Ga2O3. علاوة على ذلك، من حيث الحجم، تم تسويق ركائز β-Ga2O3 بقياس 2 بوصة و4 بوصات تتميز بشفافية وتجانس ممتازين، بينما لا تزال الركيزة بقياس 6 بوصات قيد البحث تمهيدًا لتسويقها مستقبلًا. في الآونة الأخيرة، أصبحت المواد البلورية الأحادية الدائرية الكبيرة ذات التوجيه (−201) متاحة أيضاً. إضافةً إلى ذلك، تُعزز طريقة تغذية الأغشية المحددة الحواف لـ β-Ga2O3 عملية تطعيم العناصر المعدنية الانتقالية، مما يُتيح البحث والتحضير لـ Ga2O3.

الشكل 3: بلورة أحادية من β-Ga2O3 تم إنتاجها بطريقة تغذية الأغشية المحددة الحواف

1.3 طريقة بريدجمان

في طريقة بريدجمان، تتشكل البلورات في بوتقة تُحرك تدريجيًا عبر تدرج حراري. يمكن إجراء هذه العملية أفقيًا أو رأسيًا، وعادةً ما تُستخدم بوتقة دوارة. تجدر الإشارة إلى أن هذه الطريقة قد تستخدم بذورًا بلورية أو لا. يفتقر مشغلو طريقة بريدجمان التقليدية إلى الرؤية المباشرة لعمليتي الانصهار ونمو البلورات، ويتعين عليهم التحكم في درجات الحرارة بدقة عالية. تُستخدم طريقة بريدجمان الرأسية بشكل أساسي لنمو β-Ga2O3، وتُعرف بقدرتها على النمو في بيئة هوائية. خلال عملية النمو بطريقة بريدجمان الرأسية، يُحافظ على إجمالي فقدان كتلة المصهور والبوتقة أقل من 1%، مما يُتيح نمو بلورات أحادية كبيرة من β-Ga2O3 بأقل قدر من الفقد.

الشكل 4: بلورة أحادية من β-Ga2O3 تم إنماؤها بطريقة بريدجمان

1.4 طريقة المنطقة العائمة

تُعالج طريقة المنطقة العائمة مشكلة تلوث البلورات بمواد البوتقة، وتُقلل التكاليف الباهظة المرتبطة ببوتقات الأشعة تحت الحمراء المقاومة لدرجات الحرارة العالية. خلال عملية النمو هذه، يُمكن تسخين المصهور بواسطة مصباح بدلاً من مصدر ترددات الراديو، مما يُبسط متطلبات معدات النمو. على الرغم من أن شكل وجودة بلورات β-Ga2O3 المُنمّاة بطريقة المنطقة العائمة ليست مثالية بعد، إلا أن هذه الطريقة تُبشّر بنهج واعد لإنتاج بلورات أحادية عالية النقاء من β-Ga2O3 بتكلفة معقولة.

الشكل 5: بلورة أحادية من β-Ga2O3 تم إنتاجها بطريقة المنطقة العائمة.