Teicneolaíocht fáis eipitacsach agus criostail aonair ocsaíd ghailliam

Tá aird fhorleathan faighte ag leathsheoltóirí bearna banda leathan (WBG) arb ionann iad agus cairbíd sileacain (SiC) agus níotráit ghailliam (GaN). Tá ionchais arda ag daoine maidir le hionchais úsáide cairbíd sileacain i bhfeithiclí leictreacha agus i ngreillí cumhachta, chomh maith le hionchais úsáide níotráit ghailliam i muirearú tapa. Le blianta beaga anuas, tá dul chun cinn suntasach déanta ag taighde ar ábhair Ga2O3, AlN agus diamant, rud a fhágann go bhfuil ábhair leathsheoltóra bearna banda ultra-leathan mar fhócas aird. Ina measc, is ábhar leathsheoltóra bearna banda ultra-leathan atá ag teacht chun cinn é ocsaíd ghailliam (Ga2O3) le bearna banda de 4.8 eV, neart réimse miondealú criticiúil teoiriciúil de thart ar 8 MV cm-1, luas sáithiúcháin de thart ar 2E7cm s-1, agus fachtóir cáilíochta Baliga ard de 3000, a fhaigheann aird fhorleathan i réimse na leictreonaice cumhachta ardvoltais agus ardmhinicíochta.

1. Saintréithe ábhair ocsaíd ghailliam

Tá bearna mhór banda ag Ga2O3 (4.8 eV), meastar go mbainfidh sé cumais ardvoltais agus ardchumhachta amach, agus go bhféadfadh sé inoiriúnaitheacht ardvoltais a bheith aige ag friotaíocht réasúnta íseal, rud a fhágann gur fócas iad don taighde reatha. Ina theannta sin, ní hamháin go bhfuil airíonna ábhair den scoth ag Ga2O3, ach soláthraíonn sé réimse teicneolaíochtaí dópála cineál-n atá inchoigeartaithe go héasca, chomh maith le teicneolaíochtaí fáis foshraithe agus eipitacsaíochta ar chostas íseal. Go dtí seo, tá cúig chéim criostail éagsúla aimsithe i Ga2O3, lena n-áirítear céimeanna corandaim (α), monachlinic (β), spinel lochtach (γ), ciúbach (δ) agus orthorhombic (ɛ). Is iad na cobhsaíochtaí teirmidinimiciúla, in ord, γ, δ, α, ɛ, agus β. Is fiú a thabhairt faoi deara gurb é β-Ga2O3 monachlinic an ceann is cobhsaí, go háirithe ag teochtaí arda, agus go bhfuil céimeanna eile meiteastábla os cionn teocht an tseomra agus go mbíonn claonadh acu claochlú go dtí an chéim β faoi choinníollacha teirmeacha sonracha. Dá bhrí sin, tá fócas mór tagtha ar fhorbairt gléasanna bunaithe ar β-Ga2O3 i réimse na leictreonaice cumhachta le blianta beaga anuas.

Tábla 1 Comparáid idir roinnt paraiméadair ábhar leathsheoltóra

Taispeántar struchtúr criostail β-Ga2O3 monachliniceach i dTábla 1. I measc a pharaiméadair laitíse tá a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, agus β = 103.8°. Tá an chill aonaid comhdhéanta d'adaimh Ga(I) le comhordú teitreahéadrach casta agus adaimh Ga(II) le comhordú ochtaahéadrach. Tá trí shocrú éagsúla d'adaimh ocsaigine san eagar "ciúbach casta", lena n-áirítear dhá adamh O(I) agus O(II) atá comhordaithe go triantánach agus adamh O(III) amháin atá comhordaithe go teitreahéadrach. Mar thoradh ar chomhcheangal an dá chineál comhordaithe adamhach seo, bíonn ainiseatrópacht β-Ga2O3 ann a bhfuil airíonna speisialta aige san fhisic, sa chreimeadh ceimiceach, san optaic agus san leictreonaic.

Fíor 1 Léaráid struchtúrach sceimiteach de chriostal monachliniceach β-Ga2O3

Ó pheirspictíocht theoiric an bhanda fuinnimh, díorthaítear an luach íosta den bhanda seoltachta de β-Ga2O3 ón staid fuinnimh a fhreagraíonn don fhithis hibrideach 4s0 den adaimh Ga. Tomhaistear an difríocht fuinnimh idir an luach íosta den bhanda seoltachta agus an leibhéal fuinnimh folúis (fuinneamh gaolmhaireacht leictreon) ná 4 eV. Tomhaistear mais éifeachtach leictreon β-Ga2O3 mar 0.28–0.33 me agus is ionann í agus a sheoltacht leictreonach fabhrach. Mar sin féin, taispeánann uasmhéid an bhanda vaileins cuar Ek éadomhain le cuar an-íseal agus fithisí O2p atá logánta go láidir, rud a thugann le fios go bhfuil na poill logánta go domhain. Cruthaíonn na tréithe seo dúshlán ollmhór chun dópáil de chineál-p a bhaint amach i β-Ga2O3. Fiú más féidir dópáil de chineál-P a bhaint amach, fanann an poll μ ag leibhéal an-íseal. 2. Fás criostail aonair ocsaíd ghailliam i mbulc Go dtí seo, is é an modh fáis atá i bhfeidhm ar foshraith criostail aonair i mbulc β-Ga2O3 ná an modh tarraingthe criostail den chuid is mó, amhail Czochralski (CZ), modh beathaithe scannáin tanaí imeall-shainithe (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (trtical or cothrománach Bridgman, HB nó VB) agus teicneolaíocht crios snámhach (floating zone, FZ). I measc na modhanna go léir, meastar gurb iad Czochralski agus modhanna beathaithe scannáin tanaí imeall-shainithe na bealaí is geallta le haghaidh olltáirgeadh sliseog β-Ga2O3 amach anseo, toisc gur féidir leo méideanna móra agus dlúis lochtanna ísle a bhaint amach ag an am céanna. Go dtí seo, tá maitrís tráchtála bainte amach ag Novel Crystal Technology na Seapáine le haghaidh fás leáite β-Ga2O3.

1.1 Modh Czochralski

Is é prionsabal mhodh Czochralski go gclúdaítear an ciseal síl ar dtús, agus ansin tarraingítear an criostal aonair amach go mall as an leá. Tá an modh Czochralski ag éirí níos tábhachtaí do β-Ga2O3 mar gheall ar a éifeachtúlacht costais, a chumais méide móra, agus fás foshraithe criostail d'ardchaighdeán. Mar sin féin, mar gheall ar strus teirmeach le linn fás ardteochta Ga2O3, tarlóidh galú criostail aonair, ábhair leáite, agus damáiste don bhreogán Ir. Is toradh é seo ar an deacracht a bhaineann le dópáil íseal-n-chineál a bhaint amach i Ga2O3. Is bealach amháin chun an fhadhb seo a réiteach ná méid cuí ocsaigine a thabhairt isteach san atmaisféar fáis. Trí uasmhéadú, tá β-Ga2O3 2-orlach ardchaighdeáin le raon tiúchana leictreon saor de 10^16~10^19 cm-3 agus dlús leictreon uasta de 160 cm2/Vs fásaithe go rathúil leis an modh Czochralski.

Fíor 2 Criostal aonair de β-Ga2O3 a fhásadh le modh Czochralski

1.2 Modh beathaithe scannáin imeall-shainithe

Meastar gurb é an modh beathaithe scannáin tanaí imeall-shainithe an príomh-iomaitheoir le haghaidh táirgeadh tráchtála ábhar criostail aonair Ga2O3 le limistéar mór. Is é prionsabal an mhodha seo an leá a chur i múnla le scoilt ribeach, agus ardaíonn an leá go dtí an múnla trí ghníomh ribeach. Ag an mbarr, foirmíonn scannán tanaí agus scaipeann sé i ngach treo agus é á spreagadh chun criostalú ag an gcriostal síl. Ina theannta sin, is féidir imill bharr an mhúnla a rialú chun criostail a tháirgeadh i gcalóga, i bhfeadáin, nó in aon gheoiméadracht atá ag teastáil. Soláthraíonn an modh beathaithe scannáin tanaí imeall-shainithe de Ga2O3 rátaí fáis thapa agus trastomhais mhóra. Taispeánann Fíor 3 léaráid de chriostal aonair β-Ga2O3. Ina theannta sin, i dtéarmaí scála méide, tá foshraitheanna β-Ga2O3 2-orlach agus 4-orlach le trédhearcacht agus aonfhoirmeacht den scoth tráchtálaithe, agus tá an foshraith 6-orlach léirithe i dtaighde le haghaidh tráchtálaithe sa todhchaí. Le déanaí, tá ábhair mhóra criostail aonair chiorclacha ar fáil freisin le treoshuíomh (−201). Ina theannta sin, cuireann an modh beathaithe scannáin imeall-shainithe β-Ga2O3 dópáil eilimintí miotail trasdultacha chun cinn freisin, rud a fhágann gur féidir taighde agus ullmhú Ga2O3 a dhéanamh.

Fíor 3 Criostal aonair β-Ga2O3 a fhástar trí mhodh beathaithe scannáin imeall-shainithe

1.3 Modh Bridgeman

Sa mhodh Bridgeman, cruthaítear criostail i mbreogán a bhogtar de réir a chéile trí ghrádán teochta. Is féidir an próiseas a dhéanamh i dtreoshuíomh cothrománach nó ingearach, de ghnáth ag baint úsáide as breogán rothlach. Is fiú a thabhairt faoi deara go bhféadfadh nó nach bhféadfadh an modh seo síolta criostail a úsáid. Níl léirshamhlú díreach ag oibreoirí traidisiúnta Bridgman ar na próisis leá agus fáis criostail agus ní mór dóibh teochtaí a rialú le cruinneas ard. Úsáidtear an modh ingearach Bridgman den chuid is mó le haghaidh fás β-Ga2O3 agus tá sé ar eolas as a chumas fás i dtimpeallacht aeir. Le linn phróiseas fáis an mhodha ingearach Bridgman, coimeádtar an caillteanas maise iomlán den leá agus den bhreogán faoi bhun 1%, rud a chuireann ar chumas fás criostail aonair β-Ga2O3 móra le caillteanas íosta.

Fíor 4 Criostal aonair de β-Ga2O3 a fhásadh le modh Bridgeman

1.4 Modh crios snámhach

Réitíonn an modh crios snámhach fadhb éillithe criostail ag ábhair bhreogán agus laghdaíonn sé na costais arda a bhaineann le breogáin infridhearg atá frithsheasmhach in aghaidh teochta ard. Le linn an phróisis fáis seo, is féidir an leá a théamh le lampa seachas foinse RF, rud a shimplíonn na ceanglais maidir le trealamh fáis. Cé nach bhfuil cruth agus cáilíocht criostail β-Ga2O3 a fhástar leis an modh crios snámhach optamach go fóill, osclaíonn an modh seo modh gealladh fúthu chun β-Ga2O3 ard-íonachta a fhás i gcriostail aonair atá cairdiúil don bhuiséad.

Fíor 5 Criostal aonair β-Ga2O3 a fhásadh leis an modh crios snámhach.