გალიუმის ოქსიდის მონოკრისტალური და ეპიტაქსიური ზრდის ტექნოლოგია

ფართო ზოლიანი (WBG) ნახევარგამტარები, რომლებიც წარმოდგენილია სილიციუმის კარბიდით (SiC) და გალიუმის ნიტრიდით (GaN), ფართო ყურადღების ცენტრშია. ადამიანებს დიდი მოლოდინები აქვთ სილიციუმის კარბიდის ელექტრომობილებსა და ელექტრო ქსელებში გამოყენების პერსპექტივებთან, ასევე გალიუმის ნიტრიდის სწრაფ დატენვაში გამოყენების პერსპექტივებთან დაკავშირებით. ბოლო წლებში Ga2O3-ის, AlN-ის და ალმასის მასალების კვლევამ მნიშვნელოვანი პროგრესი განიცადა, რის გამოც ულტრაფართო ზოლიანი ნახევარგამტარული მასალები ყურადღების ცენტრში მოექცა. მათ შორის, გალიუმის ოქსიდი (Ga2O3) არის ახალი ულტრაფართო ზოლიანი ნახევარგამტარული მასალა 4.8 eV ზოლიანი უფსკრულით, დაახლოებით 8 MV სმ-1 თეორიული კრიტიკული დაშლის ველის სიძლიერით, დაახლოებით 2E7 სმ წმ-1 გაჯერების სიჩქარით და 3000 მაღალი ბალიგას ხარისხის კოეფიციენტით, რომელიც ფართო ყურადღებას იპყრობს მაღალი ძაბვის და მაღალი სიხშირის დენის ელექტრონიკის სფეროში.

1. გალიუმის ოქსიდის მასალის მახასიათებლები

Ga2O3-ს აქვს დიდი ზონური უფსკრული (4.8 eV), მოსალოდნელია, რომ მიაღწევს როგორც მაღალ გამძლეობის ძაბვას, ასევე მაღალი სიმძლავრის შესაძლებლობებს და შეიძლება ჰქონდეს მაღალი ძაბვის ადაპტირების პოტენციალი შედარებით დაბალ წინაღობაზე, რაც მას მიმდინარე კვლევის ფოკუსად აქცევს. გარდა ამისა, Ga2O3-ს არა მხოლოდ აქვს შესანიშნავი მატერიალური თვისებები, არამედ უზრუნველყოფს სხვადასხვა ადვილად რეგულირებადი n-ტიპის დოპირების ტექნოლოგიებს, ასევე დაბალფასიან სუბსტრატის ზრდისა და ეპიტაქსიის ტექნოლოგიებს. ჯერჯერობით, Ga2O3-ში აღმოჩენილია ხუთი განსხვავებული კრისტალური ფაზა, მათ შორის კორუნდის (α), მონოკლინიკური (β), დეფექტური სპინელის (γ), კუბური (δ) და ორთორომბული (ɛ) ფაზები. თერმოდინამიკური სტაბილურობა, თანმიმდევრობით, არის γ, δ, α, ɛ და β. აღსანიშნავია, რომ მონოკლინიკური β-Ga2O3 ყველაზე სტაბილურია, განსაკუთრებით მაღალ ტემპერატურაზე, ხოლო სხვა ფაზები მეტასტაბილურია ოთახის ტემპერატურაზე მაღლა და სპეციფიკურ თერმულ პირობებში β ფაზად გარდაიქმნება. ამიტომ, ბოლო წლებში β-Ga2O3-ზე დაფუძნებული მოწყობილობების შემუშავება ელექტრონიკის სფეროში ერთ-ერთ მთავარ აქცენტს აკეთებს.

ცხრილი 1. ნახევარგამტარული მასალის ზოგიერთი პარამეტრის შედარება

მონოკლინიკური β-Ga2O3-ის კრისტალური სტრუქტურა ნაჩვენებია ცხრილში 1. მისი ბადის პარამეტრებია a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å და β = 103.8°. ერთეულოვანი უჯრედი შედგება Ga(I) ატომებისგან დაგრეხილი ტეტრაედრული კოორდინაციით და Ga(II) ატომებისგან ოქტაედრული კოორდინაციით. „დაგრეხილ კუბურ“ მასივში ჟანგბადის ატომების სამი განსხვავებული განლაგებაა, მათ შორის ორი სამკუთხა კოორდინირებული O(I) და O(II) ატომები და ერთი ტეტრაედრული კოორდინირებული O(III) ატომ. ატომური კოორდინაციის ამ ორი ტიპის კომბინაცია იწვევს β-Ga2O3-ის ანიზოტროპიას, რომელსაც განსაკუთრებული თვისებები აქვს ფიზიკაში, ქიმიურ კოროზიაში, ოპტიკასა და ელექტრონიკაში.

სურათი 1. მონოკლინიკური β-Ga2O3 კრისტალის სქემატური სტრუქტურული დიაგრამა

ენერგეტიკული ზოლების თეორიის პერსპექტივიდან, β-Ga2O3-ის გამტარობის ზოლის მინიმალური მნიშვნელობა გამოითვლება Ga ატომის 4s0 ჰიბრიდული ორბიტის შესაბამისი ენერგეტიკული მდგომარეობიდან. გამტარობის ზოლის მინიმალურ მნიშვნელობასა და ვაკუუმის ენერგიის დონეს (ელექტრონული აფინურობის ენერგია) შორის ენერგეტიკული სხვაობა იზომება 4 eV-ის ტოლი. β-Ga2O3-ის ეფექტური ელექტრონული მასა იზომება 0.28–0.33 me-ს ტოლი და მისი ხელსაყრელი ელექტრონული გამტარობა. თუმცა, ვალენტური ზოლის მაქსიმუმი ავლენს არაღრმა Ek მრუდს ძალიან დაბალი გამრუდებით და ძლიერ ლოკალიზებული O2p ორბიტალებით, რაც მიუთითებს, რომ ხვრელები ღრმად არის ლოკალიზებული. ეს მახასიათებლები უზარმაზარ გამოწვევას წარმოადგენს β-Ga2O3-ში p-ტიპის დოპინგის მისაღწევად. მაშინაც კი, თუ P-ტიპის დოპინგის მიღწევა შესაძლებელია, ხვრელი μ ძალიან დაბალ დონეზე რჩება. 2. გალიუმის ოქსიდის მონოკრისტალის ზრდა. β-Ga2O3 მონოკრისტალური სუბსტრატის ზრდის მეთოდი, ძირითადად, კრისტალის გამოწევის მეთოდია, როგორიცაა ჩოხრალსკი (CZ), კიდით განსაზღვრული თხელი ფენის მიწოდების მეთოდი (Edge-Defined film-fed, EFG), ბრიჯმანის (ვერტიკალური ან ჰორიზონტალური ბრიჯმანი, HB ან VB) და მცურავი ზონის (floating zone, FZ) ტექნოლოგია. ყველა მეთოდს შორის, ჩოხრალსკის და კიდით განსაზღვრული თხელი ფენის მიწოდების მეთოდები, სავარაუდოდ, მომავალში β-Ga2O3 ვაფლების მასობრივი წარმოებისთვის ყველაზე პერსპექტიული გზები იქნება, რადგან მათ ერთდროულად შეუძლიათ დიდი მოცულობის და დაბალი დეფექტების სიმკვრივის მიღწევა. ამ დრომდე, იაპონურმა Novel Crystal Technology-მ შექმნა კომერციული მატრიცა β-Ga2O3-ის დნობის ზრდისთვის.

1.1 ჩოხრალსკის მეთოდი

ჩოხრალსკის მეთოდის პრინციპი გულისხმობს, რომ თავდაპირველად იფარება საწყისი ფენა, შემდეგ კი ნელ-ნელა იხსნება მონოკრისტალი დნობიდან. ჩოხრალსკის მეთოდი სულ უფრო მნიშვნელოვანი ხდება β-Ga2O3-ისთვის მისი ეკონომიურობის, დიდი ზომის შესაძლებლობებისა და მაღალი ხარისხის კრისტალური სუბსტრატის ზრდის გამო. თუმცა, Ga2O3-ის მაღალტემპერატურულ ზრდაში თერმული სტრესის გამო, მოხდება მონოკრისტალების, დნობის მასალების აორთქლება და რკინის ტიგანის დაზიანება. ეს გამოწვეულია Ga2O3-ში დაბალი n-ტიპის დოპირების მიღწევის სირთულით. ამ პრობლემის გადაჭრის ერთ-ერთი გზა ზრდის ატმოსფეროში შესაბამისი რაოდენობის ჟანგბადის შეყვანაა. ოპტიმიზაციის გზით, ჩოხრალსკის მეთოდით წარმატებით იქნა გაზრდილი მაღალი ხარისხის 2 დიუმიანი β-Ga2O3, თავისუფალი ელექტრონების კონცენტრაციის დიაპაზონით 10^16~10^19 სმ-3 და მაქსიმალური ელექტრონების სიმკვრივით 160 სმ2/V წმ.

სურათი 2 β-Ga2O3-ის მონოკრისტალი, რომელიც ჩოხრალსკის მეთოდით არის გაზრდილი

1.2 კიდით განსაზღვრული ფირის მიწოდების მეთოდი

კიდით განსაზღვრული თხელი ფენის მიწოდების მეთოდი დიდი ფართობის Ga2O3 მონოკრისტალური მასალების კომერციული წარმოებისთვის წამყვან პრეტენდენტად ითვლება. ამ მეთოდის პრინციპია დნობის მოთავსება კაპილარული ჭრილით მქონე ყალიბში და დნობა კაპილარული მოქმედებით ყალიბში ამოდის. ზედა ნაწილში თხელი ფენა წარმოიქმნება და ვრცელდება ყველა მიმართულებით, ხოლო კრისტალიზაცია ხდება საწყისი კრისტალის მიერ. გარდა ამისა, ყალიბის ზედა კიდეების კონტროლი შესაძლებელია კრისტალების წარმოებისთვის ფანტელების, მილების ან ნებისმიერი სასურველი გეომეტრიის სახით. Ga2O3-ის კიდით განსაზღვრული თხელი ფენის მიწოდების მეთოდი უზრუნველყოფს სწრაფ ზრდის ტემპს და დიდ დიამეტრებს. სურათი 3 გვიჩვენებს β-Ga2O3 მონოკრისტალის დიაგრამას. გარდა ამისა, ზომის მასშტაბის თვალსაზრისით, კომერციალიზებულია 2 დიუმიანი და 4 დიუმიანი β-Ga2O3 სუბსტრატები შესანიშნავი გამჭვირვალობითა და ერთგვაროვნებით, ხოლო 6 დიუმიანი სუბსტრატი დემონსტრირებულია მომავალი კომერციალიზაციისთვის. ბოლო დროს, ასევე ხელმისაწვდომი გახდა დიდი წრიული მონოკრისტალური ნაყარი მასალები (−201) ორიენტაციით. გარდა ამისა, β-Ga2O3-ის კიდით განსაზღვრული აპკის მიწოდების მეთოდი ასევე ხელს უწყობს გარდამავალი ლითონების ელემენტების დოპირებას, რაც შესაძლებელს ხდის Ga2O3-ის კვლევას და მომზადებას.

სურათი 3. კიდით განსაზღვრული ფირის მიწოდების მეთოდით გაზრდილი β-Ga2O3 მონოკრისტალი

1.3 ბრიჯმენის მეთოდი

ბრიჯმენის მეთოდით, კრისტალები წარმოიქმნება ტიან-კრისტალებში, რომელიც თანდათანობით გადაადგილდება ტემპერატურის გრადიენტში. პროცესი შეიძლება შესრულდეს ჰორიზონტალურად ან ვერტიკალურად, ჩვეულებრივ, მბრუნავი ტიან-კრისტალის გამოყენებით. აღსანიშნავია, რომ ამ მეთოდში შეიძლება გამოყენებულ იქნას ან არ იქნას გამოყენებული კრისტალური მარცვლები. ტრადიციულ ბრიჯმენის ოპერატორებს არ აქვთ დნობისა და კრისტალების ზრდის პროცესების პირდაპირი ვიზუალიზაცია და ტემპერატურის მაღალი სიზუსტით კონტროლი უწევთ. ვერტიკალური ბრიჯმენის მეთოდი ძირითადად გამოიყენება β-Ga2O3-ის გასაზრდელად და ცნობილია ჰაერის გარემოში ზრდის უნარით. ვერტიკალური ბრიჯმენის მეთოდით ზრდის პროცესის დროს, დნობისა და ტიან-კრისტალების საერთო მასის დანაკარგი 1%-ზე ნაკლებია, რაც საშუალებას იძლევა დიდი β-Ga2O3 მონოკრისტალების მინიმალური დანაკარგით ზრდისა.

სურათი 4 β-Ga2O3-ის მონოკრისტალი, გაზრდილი ბრიჯმენის მეთოდით

1.4 მცურავი ზონის მეთოდი

მცურავი ზონის მეთოდი წყვეტს კრისტალების დაბინძურების პრობლემას ტიგანის მასალებით და ამცირებს მაღალი ტემპერატურისადმი მდგრადი ინფრაწითელი ტიგანის შემცველ კონტეინერებთან დაკავშირებულ მაღალ ხარჯებს. ამ ზრდის პროცესის დროს, დნობა შეიძლება გაცხელდეს ნათურით და არა რადიოსიხშირული წყაროთი, რაც ამარტივებს ზრდის აღჭურვილობის მოთხოვნებს. მიუხედავად იმისა, რომ მცურავი ზონის მეთოდით გაზრდილი β-Ga2O3-ის ფორმა და კრისტალის ხარისხი ჯერ კიდევ არ არის ოპტიმალური, ეს მეთოდი პერსპექტიულ მეთოდს ქმნის მაღალი სისუფთავის β-Ga2O3-ის ბიუჯეტურად ხელმისაწვდომ მონოკრისტალებად გასაზრდელად.