Кремний карбиді (SiC) және галлий нитриді (GaN) түрінде ұсынылған кең жолақты (WBG) жартылай өткізгіштер кеңінен назар аударды. Адамдар кремний карбидін электр көліктерінде және электр желілерінде қолдану болашағына, сондай-ақ галлий нитридін жылдам зарядтауда қолдану болашағына үлкен үміт артады. Соңғы жылдары Ga2O3, AlN және алмас материалдарын зерттеу айтарлықтай жетістіктерге жетті, бұл ультра кең жолақты жартылай өткізгіш материалдарды назар аудартады. Олардың ішінде галлий оксиді (Ga2O3) - 4,8 эВ жолақты аралықпен, шамамен 8 МВ см-1 теориялық сыни тесілу өрісінің кернеулігімен, шамамен 2E7 см s-1 қанығу жылдамдығымен және 3000 жоғары Балига сапа коэффициентімен дамып келе жатқан ультра кең жолақты жартылай өткізгіш материал, ол жоғары кернеулі және жоғары жиілікті электрлік электроника саласында кеңінен назар аударады.
1. Галлий оксиді материалының сипаттамалары
Ga2O3 үлкен тыйым салынған аймаққа (4,8 эВ) ие, жоғары төзімді кернеу мен жоғары қуат мүмкіндіктеріне қол жеткізеді деп күтілуде және салыстырмалы түрде төмен кедергіде жоғары кернеуге бейімделу мүмкіндігіне ие, бұл оларды қазіргі зерттеулердің басты назарына айналдырады. Сонымен қатар, Ga2O3 тек тамаша материалдық қасиеттерге ғана емес, сонымен қатар оңай реттелетін n-типті қоспалау технологияларын, сондай-ақ арзан субстрат өсіру және эпитакси технологияларын ұсынады. Қазіргі уақытта Ga2O3-те корунд (α), моноклиндік (β), ақаулы шпинель (γ), кубтық (δ) және орторомбалық (ɛ) фазаларды қоса алғанда, бес түрлі кристалдық фаза ашылды. Термодинамикалық тұрақтылықтар ретімен γ, δ, α, ɛ және β болып табылады. Айта кету керек, моноклиндік β-Ga2O3, әсіресе жоғары температурада ең тұрақты, ал басқа фазалар бөлме температурасынан жоғары метастабильді және белгілі бір жылу жағдайларында β фазасына айналуға бейім. Сондықтан, соңғы жылдары β-Ga2O3 негізіндегі құрылғыларды әзірлеу энергетикалық электроника саласында басты назарда болды.
1-кесте. Жартылай өткізгіш материалдың кейбір параметрлерін салыстыру.
Моноклиндіβ-Ga2O3 кристалдық құрылымы 1-кестеде көрсетілген. Оның торлы параметрлеріне a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å және β = 103,8° жатады. Бірлік ұяшық бұралған тетраэдрлік координациясы бар Ga(I) атомдарынан және октаэдрлік координациясы бар Ga(II) атомдарынан тұрады. «Бұралған кубтық» массивте оттегі атомдарының үш түрлі орналасуы бар, оның ішінде екі үшбұрышты координацияланған O(I) және O(II) атомдары және бір тетраэдрлік координацияланған O(III) атомы бар. Атомдық координацияның осы екі түрінің үйлесімі физика, химиялық коррозия, оптика және электроникадағы ерекше қасиеттері бар β-Ga2O3 анизотропиясына әкеледі.
1-сурет Моноклинді β-Ga2O3 кристалының схемалық құрылымдық диаграммасы
Энергия жолағы теориясы тұрғысынан β-Ga2O3 өткізгіштік жолағының минималды мәні Ga атомының 4s0 гибридті орбитасына сәйкес келетін энергия күйінен алынады. Өткізгіштік жолағының минималды мәні мен вакуум энергия деңгейі (электрондық аффиндік энергия) арасындағы энергия айырмашылығы өлшенеді. 4 эВ құрайды. β-Ga2O3 тиімді электрон массасы 0,28–0,33 мэ және оның қолайлы электрондық өткізгіштігі ретінде өлшенеді. Дегенмен, валенттік жолақтың максимумы өте төмен қисықтықпен және күшті локализацияланған O2p орбитальдары бар таяз Ek қисығын көрсетеді, бұл тесіктердің терең локализацияланғанын көрсетеді. Бұл сипаттамалар β-Ga2O3-те p-типті легирлеуге қол жеткізу үшін үлкен қиындық тудырады. P-типті легирлеуге қол жеткізуге болатын болса да, μ тесігі өте төмен деңгейде қалады. 2. Галлий оксидінің монокристаллдық көлемін өсіру Қазіргі уақытта β-Ga2O3 монокристаллдық негізін өсіру әдісі негізінен кристалды тарту әдісі болып табылады, мысалы, Чохральски (CZ), шеткі анықталған жұқа пленкамен қоректендіру әдісі (Edge -Defined plyonka-fed, EFG), Бриджман (кристалды немесе көлденең Бриджман, HB немесе VB) және қалқымалы аймақ (floating zone, FZ) технологиясы. Барлық әдістердің ішінде Чохральски және шеткі анықталған жұқа пленкамен қоректендіру әдістері болашақта β-Ga2O3 пластиналарын жаппай өндірудің ең перспективалы жолдары болады деп күтілуде, себебі олар бір уақытта үлкен көлемдерге және төмен ақау тығыздығына қол жеткізе алады. Қазіргі уақытқа дейін Жапонияның Novel Crystal Technology компаниясы β-Ga2O3 балқымасын өсіруге арналған коммерциялық матрицаны жүзеге асырды.
1.1 Чохральский әдісі
Чохральский әдісінің принципі - алдымен тұқым қабаты жабылады, содан кейін монокристалл балқымадан баяу шығарылады. Чохральский әдісі β-Ga2O3 үшін оның үнемділігі, үлкен өлшемді мүмкіндіктері және жоғары кристалды сапалы субстрат өсуіне байланысты маңызды болып келеді. Дегенмен, Ga2O3 жоғары температурада өсу кезінде термиялық стресс салдарынан монокристалдардың, балқытылған материалдардың булануы және Ir тигельінің зақымдануы орын алады. Бұл Ga2O3-те төмен n-типті легирлеуге қол жеткізудегі қиындықтардың нәтижесі. Өсу атмосферасына тиісті мөлшерде оттегі енгізу - бұл мәселені шешудің бір жолы. Оңтайландыру арқылы Чохральский әдісімен бос электрон концентрациясы диапазоны 10^16~10^19 см-3 және максималды электрон тығыздығы 160 см2/Vs болатын жоғары сапалы 2 дюймдік β-Ga2O3 сәтті өсірілді.
2-сурет. Чохральский әдісімен өсірілген β-Ga2O3 монокристалы.
1.2 Жиекпен анықталған пленканы беру әдісі
Жиекпен анықталған жұқа қабықшамен қоректендіру әдісі үлкен аумақты Ga2O3 монокристалды материалдарын коммерциялық өндірудегі жетекші үміткер болып саналады. Бұл әдістің принципі - балқыманы капиллярлық саңылауы бар қалыпқа салу, ал балқыма капиллярлық әрекет арқылы қалыпқа көтеріледі. Жоғарғы жағында жұқа қабықша пайда болады және барлық бағытта таралады, сонымен қатар тұқым кристалымен кристалдануға әкеледі. Сонымен қатар, қалып үстіңгі жағының шеттерін үлпектерде, түтіктерде немесе кез келген қажетті геометрияда кристалдар алу үшін басқаруға болады. Ga2O3 жиекпен анықталған жұқа қабықшамен қоректендіру әдісі жылдам өсу жылдамдығын және үлкен диаметрлерді қамтамасыз етеді. 3-суретте β-Ga2O3 монокристалының диаграммасы көрсетілген. Сонымен қатар, өлшем масштабы тұрғысынан алғанда, тамаша мөлдірлігі мен біркелкілігі бар 2 дюймдік және 4 дюймдік β-Ga2O3 субстраттары коммерциялық сатылымға шығарылды, ал 6 дюймдік субстрат болашақта коммерциялық сатылымға арналған зерттеулерде көрсетілген. Жақында (−201) бағдары бар үлкен дөңгелек монокристалды көлемді материалдар да қолжетімді болды. Сонымен қатар, β-Ga2O3 жиегі анықталған пленкамен қоректендіру әдісі өтпелі металл элементтерінің легирленуіне ықпал етеді, бұл Ga2O3 зерттеуі мен дайындауды мүмкін етеді.
3-сурет. Шеттері анықталған пленкамен қоректендіру әдісімен өсірілген β-Ga2O3 монокристалы.
1.3 Бриджмен әдісі
Бриджман әдісінде кристалдар температура градиенті арқылы біртіндеп қозғалатын тигельде түзіледі. Процесс көлденең немесе тік бағытта, әдетте айналмалы тигельді пайдалану арқылы орындалуы мүмкін. Айта кету керек, бұл әдіс кристалл тұқымдарын пайдалануы немесе пайдаланбауы мүмкін. Дәстүрлі Бриджман операторларында балқу және кристалдардың өсу процестерін тікелей визуализациялау мүмкіндігі жоқ және температураны жоғары дәлдікпен басқаруы керек. Тік Бриджман әдісі негізінен β-Ga2O3 өсіру үшін қолданылады және ауа ортасында өсу қабілетімен танымал. Тік Бриджман әдісімен өсу процесінде балқыма мен тигельдің жалпы массалық жоғалуы 1%-дан төмен ұсталады, бұл үлкен β-Ga2O3 монокристалдарының минималды шығынмен өсуіне мүмкіндік береді.
4-сурет. Бриджман әдісімен өсірілген β-Ga2O3 монокристалы
1.4 Қалқымалы аймақ әдісі
Қалқымалы аймақ әдісі кристалды тигель материалдарымен ластану мәселесін шешеді және жоғары температураға төзімді инфрақызыл тигельдермен байланысты жоғары шығындарды азайтады. Бұл өсіру процесінде балқыманы радиожиілік көзімен емес, шаммен қыздыруға болады, осылайша өсіру жабдықтарына қойылатын талаптарды жеңілдетеді. Қалқымалы аймақ әдісімен өсірілген β-Ga2O3 пішіні мен кристалдық сапасы әлі оңтайлы болмаса да, бұл әдіс жоғары тазалықтағы β-Ga2O3-ті бюджетке қолайлы монокристалдарға өсірудің перспективалы әдісін ашады.
5-сурет. Қалқымалы аймақ әдісімен өсірілген β-Ga2O3 монокристалы.
Жарияланған уақыты: 2024 жылғы 30 мамыр