Silisium karbid (SiC) və qallium nitrid (GaN) ilə təmsil olunan geniş zolaqlı (WBG) yarımkeçiricilər geniş diqqət cəlb etmişdir. İnsanlar silisium karbidin elektrik nəqliyyat vasitələrində və elektrik şəbəkələrində tətbiq perspektivlərinə, eləcə də sürətli doldurulmada qallium nitridin tətbiq perspektivlərinə yüksək gözləntilər bəsləyirlər. Son illərdə Ga2O3, AlN və almaz materialları üzərində aparılan tədqiqatlar əhəmiyyətli irəliləyiş əldə edərək ultra geniş zolaqlı yarımkeçirici materialları diqqət mərkəzinə çevirmişdir. Bunların arasında qallium oksidi (Ga2O3) 4,8 eV zolaqlı, təxminən 8 MV sm-1 nəzəri kritik qırılma sahə gücünə, təxminən 2E7 sm s-1 doyma sürətinə və 3000 yüksək Baliga keyfiyyət əmsalına malik yeni yaranan ultra geniş zolaqlı yarımkeçirici materialdır və yüksək gərginlikli və yüksək tezlikli elektrik elektronikası sahəsində geniş diqqət çəkir.
1. Qallium oksid materialının xüsusiyyətləri
Ga2O3-ün böyük bir zolaq boşluğu (4.8 eV) var, həm yüksək davamlı gərginlik, həm də yüksək güc imkanlarına nail olması gözlənilir və nisbətən aşağı müqavimətdə yüksək gərginliyə uyğunlaşma potensialına malik ola bilər ki, bu da onları cari tədqiqatların diqqət mərkəzinə çevirir. Bundan əlavə, Ga2O3 təkcə əla material xüsusiyyətlərinə malik deyil, həm də asanlıqla tənzimlənən müxtəlif n-tipli aşqarlama texnologiyaları, eləcə də aşağı qiymətli substrat böyüməsi və epitaksiya texnologiyaları təmin edir. İndiyə qədər Ga2O3-də korund (α), monoklinik (β), qüsurlu şpinel (γ), kubik (δ) və ortorombik (ɛ) fazalar da daxil olmaqla beş fərqli kristal fazası aşkar edilmişdir. Termodinamik stabilliklər ardıcıl olaraq γ, δ, α, ɛ və β-dır. Qeyd etmək lazımdır ki, monoklinik β-Ga2O3, xüsusən də yüksək temperaturda ən stabildir, digər fazalar isə otaq temperaturundan yuxarıda metastabildir və müəyyən istilik şəraitində β fazasına çevrilməyə meyllidir. Buna görə də, son illərdə β-Ga2O3 əsaslı cihazların inkişafı enerji elektronikası sahəsində əsas diqqət mərkəzinə çevrilmişdir.
Cədvəl 1 Bəzi yarımkeçirici material parametrlərinin müqayisəsi
Monoklinikβ-Ga2O3-ün kristal quruluşu Cədvəl 1-də göstərilmişdir. Onun qəfəs parametrlərinə a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å və β = 103.8° daxildir. Vahid hüceyrə burulmuş tetraedrik koordinasiyaya malik Ga(I) atomlarından və oktaedrik koordinasiyaya malik Ga(II) atomlarından ibarətdir. "Burulmuş kub" massivində üç fərqli oksigen atomu düzülüşü mövcuddur, bunlara iki üçbucaqlı koordinasiyalı O(I) və O(II) atomları və bir tetraedrik koordinasiyalı O(III) atomu daxildir. Bu iki növ atom koordinasiyasının birləşməsi fizika, kimyəvi korroziya, optika və elektronikada xüsusi xüsusiyyətlərə malik β-Ga2O3-ün anizotropiyasına gətirib çıxarır.
Şəkil 1 Monoklinik β-Ga2O3 kristalının sxematik struktur diaqramı
Enerji zolağı nəzəriyyəsi baxımından, β-Ga2O3 keçiricilik zolağının minimum dəyəri Ga atomunun 4s0 hibrid orbitinə uyğun enerji vəziyyətindən əldə edilir. Keçiricilik zolağının minimum dəyəri ilə vakuum enerji səviyyəsi (elektron yaxınlıq enerjisi) arasındakı enerji fərqi ölçülür. 4 eV-dir. β-Ga2O3-ün effektiv elektron kütləsi 0,28–0,33 me və əlverişli elektron keçiriciliyi kimi ölçülür. Lakin, valentlik zolağının maksimumu çox aşağı əyriliyə və güclü lokallaşdırılmış O2p orbitallarına malik dayaz Ek əyrisi göstərir ki, bu da dəliklərin dərin lokallaşdığını göstərir. Bu xüsusiyyətlər β-Ga2O3-də p-tipli aşqarlanmaya nail olmaq üçün böyük bir çətinlik yaradır. P-tipli aşqarlanmaya nail olunsa belə, μ dəliyi çox aşağı səviyyədə qalır. 2. Toplu qallium oksidi tək kristalının yetişdirilməsi İndiyə qədər β-Ga2O3 toplu tək kristal substratının yetişdirmə metodu əsasən kristal dartma metodudur, məsələn, Czochralski (CZ), kənarları müəyyən edilmiş nazik təbəqə qidalandırma metodu (Edge -Defined film-fed, EFG), Bridgman (ritical və ya üfüqi Bridgman, HB və ya VB) və üzən zona (floating zone, FZ) texnologiyası. Bütün metodlar arasında Czochralski və kənarları müəyyən edilmiş nazik təbəqə qidalandırma metodlarının gələcəkdə β-Ga2O3 lövhələrinin kütləvi istehsalı üçün ən perspektivli yollar olacağı gözlənilir, çünki onlar eyni vaxtda böyük həcmlərə və aşağı qüsur sıxlığına nail ola bilərlər. İndiyə qədər Yaponiyanın Novel Crystal Technology şirkəti β-Ga2O3 ərimə böyüməsi üçün kommersiya matrisi hazırlamışdır.
1.1 Çozralski metodu
Çozralski metodunun prinsipi ondan ibarətdir ki, əvvəlcə toxum təbəqəsi örtülür, sonra isə tək kristal ərimədən yavaş-yavaş çıxarılır. Çozralski metodu, səmərəliliyi, böyük ölçü imkanları və yüksək kristal keyfiyyətli substrat böyüməsi səbəbindən β-Ga2O3 üçün getdikcə daha vacib hala gəlir. Lakin, Ga2O3-ün yüksək temperaturda böyüməsi zamanı istilik gərginliyi səbəbindən tək kristalların, ərimə materiallarının buxarlanması və Ir çuxurunun zədələnməsi baş verəcək. Bu, Ga2O3-də aşağı n-tipli aşqarlanmaya nail olmaqda çətinlik çəkməyin nəticəsidir. Böyümə atmosferinə müvafiq miqdarda oksigen daxil etmək bu problemi həll etməyin bir yoludur. Optimallaşdırma yolu ilə, 10^16~10^19 sm-3 sərbəst elektron konsentrasiyası diapazonuna və 160 sm2/Vs maksimum elektron sıxlığına malik yüksək keyfiyyətli 2 düymlük β-Ga2O3 Çozralski metodu ilə uğurla yetişdirilmişdir.
Şəkil 2. Çozralski metodu ilə yetişdirilən β-Ga2O3 monokristalları
1.2 Kənarları müəyyən edilmiş film qidalandırma üsulu
Kənarları müəyyən edilmiş nazik təbəqə ilə qidalandırma metodu, geniş sahəli Ga2O3 tək kristal materiallarının kommersiya istehsalı üçün aparıcı namizəd hesab olunur. Bu metodun prinsipi ərinti kapilyar yarığı olan bir qəlibə yerləşdirməkdir və ərinti kapilyar təsir vasitəsilə qəlibə qalxır. Üst hissədə nazik bir təbəqə əmələ gəlir və toxum kristalı tərəfindən kristallaşmağa təşviq edilərkən bütün istiqamətlərə yayılır. Bundan əlavə, qəlibin üst hissəsinin kənarları lopa, boru və ya istənilən həndəsə şəklində kristallar yaratmaq üçün idarə oluna bilər. Ga2O3-ün kənarları müəyyən edilmiş nazik təbəqə ilə qidalandırma metodu sürətli böyümə sürəti və böyük diametrlər təmin edir. Şəkil 3-də β-Ga2O3 tək kristalının diaqramı göstərilir. Bundan əlavə, ölçü miqyası baxımından əla şəffaflığa və vahidliyə malik 2 düymlük və 4 düymlük β-Ga2O3 substratları kommersiyalaşdırılıb, 6 düymlük substrat isə gələcək kommersiyalaşdırma üçün tədqiqatlarda nümayiş etdirilib. Bu yaxınlarda (−201) istiqamətli böyük dairəvi tək kristal toplu materiallar da mövcud olub. Bundan əlavə, β-Ga2O3 kənarı ilə müəyyən edilmiş film qidalandırma metodu keçid metal elementlərinin aşqarlanmasını da təşviq edir və bu da Ga2O3-ün tədqiqini və hazırlanmasını mümkün edir.
Şəkil 3. Kənarları müəyyən edilmiş plyonka qidalandırma üsulu ilə yetişdirilən β-Ga2O3 tək kristalı
1.3 Bridcman metodu
Bridcman metodunda kristallar tədricən temperatur qradiyenti boyunca hərəkət etdirilən bir çuxurda əmələ gəlir. Proses üfüqi və ya şaquli istiqamətdə, adətən fırlanan bir çuxurdan istifadə etməklə həyata keçirilə bilər. Qeyd etmək lazımdır ki, bu metod kristal toxumlarından istifadə edə bilər və ya istifadə etməyə bilər. Ənənəvi Bridcman operatorları ərimə və kristal böyümə proseslərinin birbaşa vizuallaşdırılmasına malik deyillər və temperaturu yüksək dəqiqliklə idarə etməlidirlər. Şaquli Bridcman metodu əsasən β-Ga2O3-ün böyüməsi üçün istifadə olunur və hava mühitində böyümə qabiliyyəti ilə tanınır. Şaquli Bridcman metodunun böyümə prosesi zamanı ərimənin və çuxurun ümumi kütlə itkisi 1%-dən aşağı saxlanılır və bu da minimal itki ilə böyük β-Ga2O3 tək kristallarının böyüməsinə imkan verir.
Şəkil 4 Bridgeman metodu ilə yetişdirilən β-Ga2O3 monokristalları
1.4 Üzən zona metodu
Üzən zona metodu kristalların çuxur materialları ilə çirklənməsi problemini həll edir və yüksək temperatura davamlı infraqırmızı çuxurlarla əlaqəli yüksək xərcləri azaldır. Bu böyümə prosesi zamanı ərimə RF mənbəyi əvəzinə lampa ilə qızdırıla bilər və beləliklə, böyümə avadanlığına olan tələbləri sadələşdirir. Üzən zona metodu ilə yetişdirilən β-Ga2O3-ün forması və kristal keyfiyyəti hələ optimal olmasa da, bu metod yüksək təmizlikli β-Ga2O3-ü büdcəyə uyğun tək kristallara çevirmək üçün perspektivli bir metod açır.
Şəkil 5 Üzən zona metodu ilə yetişdirilən β-Ga2O3 tək kristalı.
Yayımlanma vaxtı: 30 may 2024