បច្ចេកវិទ្យាគ្រីស្តាល់តែមួយអុកស៊ីដហ្គាលីញ៉ូម និងការលូតលាស់អេពីតាក់ស៊ីល

បន្ទះឈីបស៊ីមីកុងដុកទ័រដែលមានចន្លោះប្រេកង់ធំទូលាយ (WBG) ដែលតំណាងដោយស៊ីលីកុនកាប៊ីត (SiC) និងហ្គាលីញ៉ូមនីទ្រីត (GaN) បានទទួលការចាប់អារម្មណ៍យ៉ាងទូលំទូលាយ។ មនុស្សមានការរំពឹងទុកខ្ពស់ចំពោះលទ្ធភាពនៃការប្រើប្រាស់ស៊ីលីកុនកាប៊ីតនៅក្នុងយានយន្តអគ្គិសនី និងបណ្តាញអគ្គិសនី ក៏ដូចជាលទ្ធភាពនៃការប្រើប្រាស់ហ្គាលីញ៉ូមនីទ្រីតក្នុងការសាកថ្មលឿន។ ក្នុងប៉ុន្មានឆ្នាំថ្មីៗនេះ ការស្រាវជ្រាវលើសម្ភារៈ Ga2O3, AlN និងពេជ្របានធ្វើឱ្យមានវឌ្ឍនភាពគួរឱ្យកត់សម្គាល់ ដែលធ្វើឱ្យសម្ភារៈបន្ទះឈីបស៊ីមីកុងដុកទ័រដែលមានចន្លោះប្រេកង់ធំទូលាយបំផុតក្លាយជាចំណុចកណ្តាលនៃការយកចិត្តទុកដាក់។ ក្នុងចំណោមនោះ ហ្គាលីញ៉ូមអុកស៊ីដ (Ga2O3) គឺជាសម្ភារៈបន្ទះឈីបស៊ីមីកុងដុកទ័រដែលមានចន្លោះប្រេកង់ធំទូលាយបំផុតដែលកំពុងលេចចេញជារូបរាង ដែលមានចន្លោះប្រេកង់ 4.8 eV កម្លាំងវាលបំបែកសំខាន់ទ្រឹស្តីប្រហែល 8 MV cm-1 ល្បឿនតិត្ថិភាពប្រហែល 2E7cm s-1 និងកត្តាគុណភាព Baliga ខ្ពស់ 3000 ដែលទទួលបានការចាប់អារម្មណ៍យ៉ាងទូលំទូលាយនៅក្នុងវិស័យអេឡិចត្រូនិចថាមពលវ៉ុលខ្ពស់ និងប្រេកង់ខ្ពស់។

១. លក្ខណៈសម្ភារៈអុកស៊ីដហ្គាលីញ៉ូម

Ga2O3 មានគម្លាតក្រុមធំ (4.8 eV) ត្រូវបានគេរំពឹងថានឹងសម្រេចបានទាំងសមត្ថភាពទប់ទល់នឹងវ៉ុលខ្ពស់ និងថាមពលខ្ពស់ ហើយអាចមានសក្តានុពលសម្រាប់ការសម្របខ្លួនទៅនឹងវ៉ុលខ្ពស់នៅភាពធន់ទាប ដែលធ្វើឱ្យពួកវាក្លាយជាចំណុចសំខាន់នៃការស្រាវជ្រាវបច្ចុប្បន្ន។ លើសពីនេះ Ga2O3 មិនត្រឹមតែមានលក្ខណៈសម្បត្តិសម្ភារៈដ៏ល្អឥតខ្ចោះប៉ុណ្ណោះទេ ប៉ុន្តែវាក៏ផ្តល់នូវបច្ចេកវិទ្យាដូបប្រភេទ n ជាច្រើនប្រភេទដែលងាយស្រួលលៃតម្រូវ ក៏ដូចជាបច្ចេកវិទ្យាការលូតលាស់ស្រទាប់ខាងក្រោម និងបច្ចេកវិទ្យាអេពីតាក់ស៊ីដែលមានតម្លៃទាប។ រហូតមកដល់ពេលនេះ ដំណាក់កាលគ្រីស្តាល់ចំនួនប្រាំផ្សេងគ្នាត្រូវបានគេរកឃើញនៅក្នុង Ga2O3 រួមទាំងដំណាក់កាល corundum (α) ម៉ូណូគ្លីនិច (β) ស្ពីនែលខូច (γ) គូប (δ) និងអ័រថ័រហុមប៊ីក (ɛ)។ ស្ថេរភាពទែរម៉ូឌីណាមិកគឺ តាមលំដាប់លំដោយ γ, δ, α, ɛ និង β។ គួរកត់សម្គាល់ថា β-Ga2O3 ម៉ូណូគ្លីនិចគឺមានស្ថេរភាពបំផុត ជាពិសេសនៅសីតុណ្ហភាពខ្ពស់ ខណៈពេលដែលដំណាក់កាលផ្សេងទៀតអាចរលាយបានលើសពីសីតុណ្ហភាពបន្ទប់ ហើយមានទំនោរផ្លាស់ប្តូរទៅជាដំណាក់កាល β ក្រោមលក្ខខណ្ឌកម្ដៅជាក់លាក់។ ដូច្នេះហើយ ការអភិវឌ្ឍឧបករណ៍ដែលមានមូលដ្ឋានលើ β-Ga2O3 បានក្លាយជាចំណុចសំខាន់មួយនៅក្នុងវិស័យអេឡិចត្រូនិចថាមពលក្នុងប៉ុន្មានឆ្នាំថ្មីៗនេះ។

តារាងទី 1 ការប្រៀបធៀបប៉ារ៉ាម៉ែត្រសម្ភារៈស៊ីមីកុងដុកទ័រមួយចំនួន

រចនាសម្ព័ន្ធគ្រីស្តាល់នៃម៉ូណូគ្លីនិចβ-Ga2O3 ត្រូវបានបង្ហាញក្នុងតារាងទី 1។ ប៉ារ៉ាម៉ែត្រឡាទីសរបស់វារួមមាន a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å និង β = 103.8°។ ក្រឡាឯកតាមានអាតូម Ga(I) ដែលមានសំរបសំរួល tetrahedral រមួល និងអាតូម Ga(II) ដែលមានសំរបសំរួល octahedral។ មានការរៀបចំអាតូមអុកស៊ីសែនបីផ្សេងគ្នានៅក្នុងអារេ "twisted cubic" រួមទាំងអាតូម O(I) និង O(II) ដែលសំរបសំរួលរាងត្រីកោណពីរ និងអាតូម O(III) ដែលសំរបសំរួល tetrahedral មួយមួយ។ ការរួមបញ្ចូលគ្នានៃការសំរបសំរួលអាតូមទាំងពីរប្រភេទនេះនាំឱ្យមាន anisotropy នៃ β-Ga2O3 ដែលមានលក្ខណៈសម្បត្តិពិសេសនៅក្នុងរូបវិទ្យា ការច្រេះគីមី អុបទិក និងអេឡិចត្រូនិច។

រូបភាពទី 1 ដ្យាក្រាមរចនាសម្ព័ន្ធគ្រោងការណ៍នៃគ្រីស្តាល់ β-Ga2O3 ម៉ូណូគ្លីនិច

តាមទស្សនៈនៃទ្រឹស្តីក្រុមថាមពល តម្លៃអប្បបរមានៃក្រុមចរន្តនៃ β-Ga2O3 ត្រូវបានទទួលពីស្ថានភាពថាមពលដែលត្រូវគ្នាទៅនឹងគន្លងកូនកាត់ 4s0 នៃអាតូម Ga។ ភាពខុសគ្នានៃថាមពលរវាងតម្លៃអប្បបរមានៃក្រុមចរន្ត និងកម្រិតថាមពលកន្លែងទំនេរ (ថាមពលសម្ព័ន្ធអេឡិចត្រុង) ត្រូវបានវាស់វែង។ គឺ 4 eV។ ម៉ាស់អេឡិចត្រុងមានប្រសិទ្ធភាពនៃ β-Ga2O3 ត្រូវបានវាស់វែងជា 0.28–0.33 me និងចរន្តអេឡិចត្រូនិចអំណោយផលរបស់វា។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ អតិបរមានៃក្រុមវ៉ាឡង់បង្ហាញខ្សែកោង Ek រាក់ដែលមានកោងទាបខ្លាំង និងគន្លង O2p ដែលមានទីតាំងច្បាស់លាស់ខ្លាំង ដែលបង្ហាញថារន្ធទាំងនោះមានទីតាំងច្បាស់លាស់ជ្រៅ។ លក្ខណៈទាំងនេះបង្កបញ្ហាប្រឈមដ៏ធំមួយដើម្បីសម្រេចបានការដូបប្រភេទ p នៅក្នុង β-Ga2O3។ ទោះបីជាការដូបប្រភេទ P អាចសម្រេចបានក៏ដោយ រន្ធ μ នៅតែស្ថិតនៅកម្រិតទាបខ្លាំង។ 2. ការលូតលាស់នៃគ្រីស្តាល់តែមួយអុកស៊ីដហ្គាលីញ៉ូមភាគច្រើន រហូតមកដល់ពេលនេះ វិធីសាស្ត្រលូតលាស់នៃស្រទាប់គ្រីស្តាល់តែមួយភាគច្រើន β-Ga2O3 ភាគច្រើនជាវិធីសាស្ត្រទាញគ្រីស្តាល់ ដូចជា Czochralski (CZ) វិធីសាស្ត្រចិញ្ចឹមខ្សែភាពយន្តស្តើងកំណត់គែម (Edge -Defined film-fed, EFG) Bridgman (Bridgman បញ្ឈរ ឬផ្ដេក, HB ឬ VB) និងបច្ចេកវិទ្យាតំបន់អណ្តែត (floating zone, FZ)។ ក្នុងចំណោមវិធីសាស្ត្រទាំងអស់ វិធីសាស្ត្រចិញ្ចឹមខ្សែភាពយន្តស្តើងកំណត់គែម និង Czochralski ត្រូវបានគេរំពឹងថានឹងជាមធ្យោបាយដ៏ជោគជ័យបំផុតសម្រាប់ការផលិតបន្ទះ β-Ga 2O3 ទ្រង់ទ្រាយធំនាពេលអនាគត ព្រោះវាអាចសម្រេចបានបរិមាណច្រើន និងដង់ស៊ីតេពិការភាពទាបក្នុងពេលដំណាលគ្នា។ រហូតមកដល់ពេលនេះ បច្ចេកវិទ្យាគ្រីស្តាល់ថ្មីរបស់ប្រទេសជប៉ុនបានដឹងពីម៉ាទ្រីសពាណិជ្ជកម្មសម្រាប់ការលូតលាស់រលាយ β-Ga2O3។

១.១ វិធីសាស្ត្រ Czochralski

គោលការណ៍នៃវិធីសាស្ត្រ Czochralski គឺថាស្រទាប់គ្រាប់ពូជត្រូវបានគ្របដណ្ដប់ជាមុនសិន ហើយបន្ទាប់មកគ្រីស្តាល់តែមួយត្រូវបានទាញចេញពីសារធាតុរលាយយឺតៗ។ វិធីសាស្ត្រ Czochralski មានសារៈសំខាន់កាន់តែខ្លាំងឡើងសម្រាប់ β-Ga2O3 ដោយសារតែប្រសិទ្ធភាពចំណាយ សមត្ថភាពទំហំធំ និងការលូតលាស់ស្រទាប់ខាងក្រោមដែលមានគុណភាពគ្រីស្តាល់ខ្ពស់។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ដោយសារតែភាពតានតឹងកម្ដៅក្នុងអំឡុងពេលលូតលាស់សីតុណ្ហភាពខ្ពស់នៃ Ga2O3 ការហួតនៃគ្រីស្តាល់តែមួយ សម្ភារៈរលាយ និងការខូចខាតដល់ប្រដាប់ចាប់ Ir នឹងកើតឡើង។ នេះគឺជាលទ្ធផលនៃការលំបាកក្នុងការសម្រេចបាននូវសារធាតុដូបប្រភេទ n ទាបនៅក្នុង Ga2O3។ ការណែនាំបរិមាណអុកស៊ីសែនសមស្របទៅក្នុងបរិយាកាសលូតលាស់គឺជាវិធីមួយដើម្បីដោះស្រាយបញ្ហានេះ។ តាមរយៈការបង្កើនប្រសិទ្ធភាព β-Ga2O3 ទំហំ 2 អ៊ីញដែលមានគុណភាពខ្ពស់ជាមួយនឹងជួរកំហាប់អេឡិចត្រុងសេរី 10^16~10^19 cm-3 និងដង់ស៊ីតេអេឡិចត្រុងអតិបរមា 160 cm2/Vs ត្រូវបានដាំដុះដោយជោគជ័យដោយវិធីសាស្ត្រ Czochralski។

រូបភាពទី 2 គ្រីស្តាល់តែមួយនៃ β-Ga2O3 ដែលដាំដុះដោយវិធីសាស្ត្រ Czochralski

១.២ វិធីសាស្ត្របញ្ចូលខ្សែភាពយន្តដែលកំណត់គែម

វិធីសាស្ត្របញ្ចូលស្រទាប់ស្តើងដែលកំណត់គែមត្រូវបានចាត់ទុកថាជាជម្រើសឈានមុខគេសម្រាប់ការផលិតពាណិជ្ជកម្មនៃវត្ថុធាតុគ្រីស្តាល់តែមួយ Ga2O3 ក្នុងតំបន់ធំ។ គោលការណ៍នៃវិធីសាស្ត្រនេះគឺដាក់សារធាតុរលាយក្នុងផ្សិតដែលមានរន្ធសរសៃឈាម ហើយសារធាតុរលាយឡើងទៅផ្សិតតាមរយៈសកម្មភាពសរសៃឈាម។ នៅខាងលើ ស្រទាប់ស្តើងមួយបង្កើតឡើង និងរាលដាលគ្រប់ទិសដៅ ខណៈពេលដែលត្រូវបានជំរុញឱ្យគ្រីស្តាល់គ្រាប់ពូជបង្កើតជាដុំៗ បំពង់ ឬធរណីមាត្រដែលចង់បាន។ វិធីសាស្ត្របញ្ចូលស្រទាប់ស្តើងដែលកំណត់គែមរបស់ Ga2O3 ផ្តល់នូវអត្រាកំណើនលឿន និងអង្កត់ផ្ចិតធំ។ រូបភាពទី 3 បង្ហាញដ្យាក្រាមនៃគ្រីស្តាល់តែមួយ β-Ga2O3។ លើសពីនេះ ទាក់ទងនឹងមាត្រដ្ឋានទំហំ ស្រទាប់ខាងក្រោម β-Ga2O3 ទំហំ 2 អ៊ីញ និង 4 អ៊ីញ ដែលមានតម្លាភាព និងឯកសណ្ឋានដ៏ល្អត្រូវបានធ្វើពាណិជ្ជកម្ម ខណៈដែលស្រទាប់ខាងក្រោម 6 អ៊ីញត្រូវបានបង្ហាញក្នុងការស្រាវជ្រាវសម្រាប់ការធ្វើពាណិជ្ជកម្មនាពេលអនាគត។ ថ្មីៗនេះ វត្ថុធាតុដើមគ្រីស្តាល់តែមួយរាងជារង្វង់ធំៗក៏មានជាមួយនឹងទិសដៅ (−201) ផងដែរ។ លើសពីនេះ វិធីសាស្ត្របញ្ចូលខ្សែភាពយន្តដែលកំណត់គែម β-Ga2O3 ក៏ជំរុញការដូបធាតុលោហៈអន្តរកាល ដែលធ្វើឱ្យការស្រាវជ្រាវ និងការរៀបចំ Ga2O3 អាចធ្វើទៅបាន។

រូបភាពទី 3 គ្រីស្តាល់តែមួយ β-Ga2O3 ដែលដាំដុះដោយវិធីសាស្ត្រចំណីខ្សែភាពយន្តកំណត់គែម

១.៣ វិធីសាស្ត្រប្រ៊ីជមែន

នៅក្នុងវិធីសាស្ត្រ Bridgeman គ្រីស្តាល់ត្រូវបានបង្កើតឡើងនៅក្នុង cupcible ដែលត្រូវបានផ្លាស់ទីបន្តិចម្តងៗតាមរយៈជម្រាលសីតុណ្ហភាព។ ដំណើរការនេះអាចត្រូវបានអនុវត្តក្នុងទិសដៅផ្ដេក ឬបញ្ឈរ ជាធម្មតាដោយប្រើ cupcible បង្វិល។ វាគួរឱ្យកត់សម្គាល់ថាវិធីសាស្ត្រនេះអាចប្រើ ឬមិនប្រើគ្រាប់ពូជគ្រីស្តាល់។ ប្រតិបត្តិករ Bridgman ប្រពៃណីខ្វះការមើលឃើញដោយផ្ទាល់នៃដំណើរការរលាយ និងការលូតលាស់គ្រីស្តាល់ ហើយត្រូវតែគ្រប់គ្រងសីតុណ្ហភាពដោយភាពជាក់លាក់ខ្ពស់។ វិធីសាស្ត្រ Bridgman បញ្ឈរត្រូវបានប្រើជាចម្បងសម្រាប់ការលូតលាស់របស់ β-Ga2O3 ហើយត្រូវបានគេស្គាល់ថាសម្រាប់សមត្ថភាពរបស់វាក្នុងការលូតលាស់នៅក្នុងបរិយាកាសខ្យល់។ ក្នុងអំឡុងពេលដំណើរការលូតលាស់វិធីសាស្ត្រ Bridgman បញ្ឈរ ការបាត់បង់ម៉ាស់សរុបនៃរលាយ និង cupcible ត្រូវបានរក្សាទុកឱ្យនៅក្រោម 1% ដែលអាចឱ្យមានការលូតលាស់នៃគ្រីស្តាល់តែមួយ β-Ga2O3 ធំៗជាមួយនឹងការខាតបង់តិចតួចបំផុត។

រូបភាពទី 4 គ្រីស្តាល់តែមួយនៃ β-Ga2O3 ដែលដាំដុះដោយវិធីសាស្ត្រ Bridgeman

១.៤ វិធីសាស្ត្រតំបន់អណ្តែត

វិធីសាស្ត្រតំបន់អណ្តែតដោះស្រាយបញ្ហានៃការបំពុលគ្រីស្តាល់ដោយសម្ភារៈដែលអាចប្រើក្នុងឡចំហាយបាន និងកាត់បន្ថយការចំណាយខ្ពស់ដែលទាក់ទងនឹងឡចំហាយអ៊ីនហ្វ្រារ៉េដដែលធន់នឹងសីតុណ្ហភាពខ្ពស់។ ក្នុងអំឡុងពេលដំណើរការលូតលាស់នេះ សារធាតុរលាយអាចត្រូវបានកំដៅដោយចង្កៀងជំនួសឱ្យប្រភព RF ដោយហេតុនេះធ្វើឱ្យតម្រូវការសម្រាប់ឧបករណ៍លូតលាស់មានភាពសាមញ្ញ។ ទោះបីជារូបរាង និងគុណភាពគ្រីស្តាល់របស់ β-Ga2O3 ដែលដាំដុះដោយវិធីសាស្ត្រតំបន់អណ្តែតមិនទាន់ល្អបំផុតក៏ដោយ វិធីសាស្ត្រនេះបើកវិធីសាស្ត្រដ៏ជោគជ័យមួយសម្រាប់ការដាំដុះ β-Ga2O3 ដ៏បរិសុទ្ធខ្ពស់ទៅជាគ្រីស្តាល់តែមួយដែលមានតម្លៃសមរម្យ។