Գալիումի օքսիդի միաբյուրեղային և էպիտաքսիալ աճեցման տեխնոլոգիա

Լայն գոտիական բացվածքով (WBG) կիսահաղորդիչները, որոնք ներկայացված են սիլիցիումի կարբիդով (SiC) և գալիումի նիտրիդով (GaN), լայն ուշադրության են արժանացել: Մարդիկ մեծ սպասումներ ունեն սիլիցիումի կարբիդի էլեկտրական տրանսպորտային միջոցներում և էլեկտրական ցանցերում կիրառման հեռանկարների, ինչպես նաև գալիումի նիտրիդի արագ լիցքավորման մեջ կիրառման հեռանկարների վերաբերյալ: Վերջին տարիներին Ga2O3-ի, AlN-ի և ադամանդե նյութերի վերաբերյալ հետազոտությունները զգալի առաջընթաց են գրանցել, ինչը ուշադրության կենտրոնում է դարձրել գերլայն գոտիական բացվածքով կիսահաղորդչային նյութերը: Դրանց թվում է գալիումի օքսիդը (Ga2O3)՝ ի հայտ եկող գերլայն գոտիական բացվածքով կիսահաղորդչային նյութ՝ 4.8 էՎ գոտիական բացվածքով, մոտ 8 ՄՎ սմ-1 տեսական կրիտիկական խզման դաշտի ուժգնությամբ, մոտ 2E7 սմ-վրկ հագեցման արագությամբ և 3000 բարձր Բալիգա որակի գործակցով, որը լայն ուշադրության է արժանացել բարձր լարման և բարձր հաճախականության էլեկտրական էլեկտրոնիկայի ոլորտում:

1. Գալիումի օքսիդի նյութի բնութագրերը

Ga2O3-ը ունի մեծ գոտիական բացվածք (4.8 էՎ), ակնկալվում է, որ կհասնի և՛ բարձր դիմադրողականության լարման, և՛ բարձր հզորության հնարավորությունների, և կարող է ունենալ բարձր լարման հարմարվողականության ներուժ համեմատաբար ցածր դիմադրության դեպքում, ինչը այն դարձնում է ներկայիս հետազոտությունների կիզակետը: Բացի այդ, Ga2O3-ը ոչ միայն ունի գերազանց նյութական հատկություններ, այլև ապահովում է հեշտությամբ կարգավորվող n-տիպի խառնուրդների բազմազանություն, ինչպես նաև ցածր գնով սուբստրատի աճի և էպիտաքսիայի տեխնոլոգիաներ: Մինչ օրս Ga2O3-ում հայտնաբերվել են հինգ տարբեր բյուրեղային փուլեր, այդ թվում՝ կորունդային (α), մոնոկլինիկ (β), դեֆեկտիվ սպինելային (γ), խորանարդային (δ) և օրթորոմբիկ (ɛ) փուլեր: Ջերմադինամիկ կայունությունները, հերթականությամբ, γ, δ, α, ɛ և β են: Հարկ է նշել, որ մոնոկլինիկ β-Ga2O3-ը ամենակայունն է, հատկապես բարձր ջերմաստիճաններում, մինչդեռ մյուս փուլերը մետաստաբիլ են սենյակային ջերմաստիճանից բարձր և հակված են վերափոխվել β փուլի որոշակի ջերմային պայմաններում: Հետևաբար, վերջին տարիներին β-Ga2O3-ի վրա հիմնված սարքերի մշակումը դարձել է ուժային էլեկտրոնիկայի ոլորտում հիմնական ուշադրության կենտրոնում։

Աղյուսակ 1. Կիսահաղորդչային նյութերի որոշ պարամետրերի համեմատություն

Մոնոկլինիկ β-Ga2O3-ի բյուրեղային կառուցվածքը ներկայացված է աղյուսակ 1-ում: Դրա ցանցի պարամետրերն են՝ a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å և β = 103.8°: Միավոր բջիջը բաղկացած է Ga(I) ատոմներից՝ ոլորված քառանիստ կոորդինացիայով և Ga(II) ատոմներից՝ օկտանիստ կոորդինացիայով: «Ոլորված խորանարդ» զանգվածում թթվածնի ատոմների երեք տարբեր դասավորություն կա, այդ թվում՝ երկու եռանկյունաձև կոորդինացված O(I) և O(II) ատոմներ և մեկ քառանիստ կոորդինացված O(III) ատոմ: Այս երկու տեսակի ատոմային կոորդինացիայի համադրությունը հանգեցնում է β-Ga2O3-ի անիզոտրոպիայի, որն ունի հատուկ հատկություններ ֆիզիկայի, քիմիական կոռոզիայի, օպտիկայի և էլեկտրոնիկայի մեջ:

Նկար 1. Մոնոկլինիկ β-Ga2O3 բյուրեղի սխեմատիկ կառուցվածքային դիագրամ

Էներգետիկ գոտիների տեսության տեսանկյունից, β-Ga2O3-ի հաղորդունակության գոտու նվազագույն արժեքը ստացվում է Ga ատոմի 4s0 հիբրիդային ուղեծրին համապատասխանող էներգետիկ վիճակից: Հաղորդունակության գոտու նվազագույն արժեքի և վակուումային էներգիայի մակարդակի (էլեկտրոնային կապունակության էներգիա) միջև էներգիայի տարբերությունը չափվում է 4 էՎ: β-Ga2O3-ի արդյունավետ էլեկտրոնային զանգվածը չափվում է որպես 0.28–0.33 մէ և ունի բարենպաստ էլեկտրոնային հաղորդունակություն: Այնուամենայնիվ, վալենտային գոտու առավելագույնը ցուցաբերում է մակերեսային Ek կոր՝ շատ ցածր կորությամբ և ուժեղ տեղայնացված O2p օրբիտալներով, ինչը ենթադրում է, որ անցքերը խորը տեղայնացված են: Այս բնութագրերը մեծ մարտահրավեր են ներկայացնում β-Ga2O3-ում p-տիպի լեգիրման հասնելու համար: Նույնիսկ եթե P-տիպի լեգիրումը հնարավոր լինի իրականացնել, անցքի μ-ն մնում է շատ ցածր մակարդակի վրա: 2. Գալիումի օքսիդի զանգվածային միաբյուրեղի աճեցում։ Մինչ օրս β-Ga2O3 զանգվածային միաբյուրեղային հիմքի աճի մեթոդը հիմնականում բյուրեղի քաշման մեթոդն է, ինչպիսիք են Չոչրալսկին (CZ), եզրային բարակ թաղանթով սնուցման մեթոդը (Edge-Defined film-fed, EFG), Բրիջմանի (ուղղահայաց կամ հորիզոնական Բրիջման, HB կամ VB) և լողացող գոտու (floating zone, FZ) տեխնոլոգիան։ Բոլոր մեթոդներից Չոչրալսկին և եզրային բարակ թաղանթով սնուցման մեթոդները, ենթադրաբար, ապագայում β-Ga2O3 վեֆլերի զանգվածային արտադրության ամենախոստումնալից ուղիներն են լինելու, քանի որ դրանք կարող են միաժամանակ ապահովել մեծ ծավալներ և ցածր արատների խտություն։ Մինչ օրս Ճապոնիայի «Նովել բյուրեղային տեխնոլոգիան» ստեղծել է առևտրային մատրից՝ β-Ga2O3 հալույթի աճի համար։

1.1 Չոխրալսկու մեթոդ

Չոխրալսկու մեթոդի սկզբունքն այն է, որ նախ ծածկվում է սկզբնական շերտը, ապա միաբյուրեղը դանդաղորեն հանվում է հալույթից: Չոխրալսկու մեթոդը գնալով ավելի կարևոր է դառնում β-Ga2O3-ի համար՝ իր ծախսարդյունավետության, մեծ չափերի հնարավորությունների և բարձր որակի բյուրեղային հիմքի աճի շնորհիվ: Այնուամենայնիվ, Ga2O3-ի բարձր ջերմաստիճանում աճի ընթացքում ջերմային լարվածության պատճառով տեղի է ունենում միաբյուրեղների, հալվող նյութերի գոլորշիացում և երկաթե հալոցքի վնասում: Սա Ga2O3-ում ցածր n-տիպի դոպինգի հասնելու դժվարության արդյունք է: Աճի մթնոլորտում համապատասխան քանակությամբ թթվածնի ներմուծումը այս խնդիրը լուծելու միջոցներից մեկն է: Օպտիմալացման միջոցով Չոխրալսկու մեթոդով հաջողությամբ աճեցվել է բարձրորակ 2 դյույմանոց β-Ga2O3՝ 10^16~10^19 սմ-3 ազատ էլեկտրոնների կոնցենտրացիայի միջակայքով և 160 սմ2/Վվ առավելագույն էլեկտրոնային խտությամբ:

Նկար 2. β-Ga2O3-ի միաբյուրեղ, աճեցված Չոխրալսկու մեթոդով

1.2 Եզրով սահմանված թաղանթի մատակարարման մեթոդ

Եզրով սահմանված բարակ թաղանթային սնուցման մեթոդը համարվում է Ga2O3 մեծ մակերեսով միաբյուրեղային նյութերի առևտրային արտադրության առաջատար հավակնորդը: Այս մեթոդի սկզբունքն այն է, որ հալույթը տեղադրվի մազանոթային ճեղքով կաղապարի մեջ, և հալույթը մազանոթային գործողության միջոցով բարձրանա կաղապար: Վերևում ձևավորվում է բարակ թաղանթ, որը տարածվում է բոլոր ուղղություններով՝ միաժամանակ բյուրեղանալով սերմնային բյուրեղի կողմից: Բացի այդ, կաղապարի վերևի եզրերը կարող են կառավարվել՝ բյուրեղներ ստանալու համար փաթիլների, խողովակների կամ ցանկացած ցանկալի երկրաչափության տեսքով: Ga2O3-ի եզրով սահմանված բարակ թաղանթային սնուցման մեթոդը ապահովում է արագ աճի տեմպեր և մեծ տրամագծեր: Նկար 3-ը ցույց է տալիս β-Ga2O3 միաբյուրեղի դիագրամը: Բացի այդ, չափերի մասշտաբի առումով, առևտրայինացվել են 2 դյույմանոց և 4 դյույմանոց β-Ga2O3 հիմքեր՝ գերազանց թափանցիկությամբ և միատարրությամբ, մինչդեռ 6 դյույմանոց հիմքը ցուցադրվում է հետազոտություններում՝ ապագա առևտրայինացման համար: Վերջերս հասանելի են դարձել նաև մեծ շրջանաձև միաբյուրեղային զանգվածային նյութեր՝ (-201) կողմնորոշմամբ: Բացի այդ, β-Ga2O3 եզրերով սահմանված թաղանթի սնուցման մեթոդը նույնպես նպաստում է անցումային մետաղների տարրերի լեգիրմանը, ինչը հնարավոր է դարձնում Ga2O3-ի հետազոտությունը և պատրաստումը։

Նկար 3՝ β-Ga2O3 միաբյուրեղ, աճեցված եզրային թաղանթային սնուցման մեթոդով

1.3 Բրիջմենի մեթոդ

Բրիջմանի մեթոդում բյուրեղները ձևավորվում են հալոցքի մեջ, որը աստիճանաբար շարժվում է ջերմաստիճանի գրադիենտով: Գործընթացը կարող է իրականացվել հորիզոնական կամ ուղղահայաց կողմնորոշմամբ, սովորաբար պտտվող հալոցքի միջոցով: Հարկ է նշել, որ այս մեթոդը կարող է օգտագործել կամ չօգտագործել բյուրեղային սերմեր: Ավանդական Բրիջմանի օպերատորները չունեն հալման և բյուրեղների աճի գործընթացների անմիջական պատկերացում և պետք է բարձր ճշգրտությամբ վերահսկեն ջերմաստիճանը: Ուղղահայաց Բրիջմանի մեթոդը հիմնականում օգտագործվում է β-Ga2O3-ի աճի համար և հայտնի է օդային միջավայրում աճելու իր ունակությամբ: Ուղղահայաց Բրիջմանի մեթոդի աճի գործընթացի ընթացքում հալոցի և հալոցքի ընդհանուր զանգվածային կորուստը պահվում է 1%-ից ցածր, ինչը հնարավորություն է տալիս աճեցնել մեծ β-Ga2O3 միաբյուրեղներ՝ նվազագույն կորուստներով:

Նկար 4. β-Ga2O3-ի միաբյուրեղ, աճեցված Բրիջմանի մեթոդով

1.4 Լողացող գոտու մեթոդ

Լողացող գոտու մեթոդը լուծում է բյուրեղների աղտոտման խնդիրը հալոցքային նյութերով և նվազեցնում է բարձր ջերմաստիճանակայուն ինֆրակարմիր հալոցքային սարքերի հետ կապված բարձր ծախսերը: Այս աճի գործընթացի ընթացքում հալույթը կարող է տաքացվել լամպով, այլ ոչ թե ռադիոհաճախականության աղբյուրով, այդպիսով պարզեցնելով աճեցման սարքավորումների պահանջները: Չնայած լողացող գոտու մեթոդով աճեցված β-Ga2O3-ի ձևը և բյուրեղի որակը դեռևս օպտիմալ չեն, այս մեթոդը բացում է խոստումնալից մեթոդ բարձր մաքրության β-Ga2O3-ը բյուջետային միաբյուրեղների աճեցնելու համար:

Նկար 5. β-Ga2O3 միաբյուրեղ, որը աճեցվել է լողացող գոտու մեթոդով։