Nîvconductorên bandgap fireh (WBG) ku ji hêla karbîda silîkonê (SiC) û nîtrîda gallyûmê (GaN) ve têne temsîl kirin, eleqeyek berfireh dîtine. Mirov ji bo perspektîfên sepandina karbîda silîkonê di wesayîtên elektrîkê û torên elektrîkê de, û her weha ji bo perspektîfên sepandina nîtrîda gallyûmê di barkirina bilez de hêviyên mezin hene. Di salên dawî de, lêkolîna li ser materyalên Ga2O3, AlN û elmasê pêşkeftinek girîng çêkiriye, û materyalên nîvconductor ên bandgap fireh kirine navenda balê. Di nav wan de, oksîda gallyûmê (Ga2O3) materyalek nîvconductor a bandgap fireh a ultra-fireh e ku xwedî bandgap 4.8 eV, hêza qada şikestina krîtîk a teorîk a nêzîkî 8 MV cm-1, leza têrbûnê ya nêzîkî 2E7cm s-1, û faktorek kalîteya Baliga ya bilind a 3000 e, ku di warê elektronîkên hêzê yên voltaja bilind û frekansa bilind de eleqeyek berfireh distîne.
1. Taybetmendiyên materyalê oksîda galliyûmê
Ga2O3 xwedî valahiyek mezin a bendê ye (4.8 eV), tê çaverêkirin ku hem voltaja berxwedana bilind û hem jî şiyana hêza bilind bi dest bixe, û dikare potansiyela adaptebûna voltaja bilind di berxwedanek nisbeten kêm de hebe, ku wan dike navenda lêkolînên heyî. Wekî din, Ga2O3 ne tenê xwedan taybetmendiyên materyalê yên hêja ye, lê di heman demê de cûrbecûr teknolojiyên dopîngkirina celebê n-ê yên bi hêsanî verastkirî, û her weha teknolojiyên mezinbûna substratê û epîtaksiyê yên bi lêçûnek kêm peyda dike. Heta niha, pênc qonaxên krîstal ên cûda di Ga2O3 de hatine keşif kirin, di nav de qonaxên korundum (α), monoklînîk (β), spînelê xelet (γ), kubîk (δ) û ortorhombîk (ɛ). Aramiyên termodînamîkî, bi rêzê, γ, δ, α, ɛ, û β ne. Hêjayî gotinê ye ku β-Ga2O3 monoklînîk herî aram e, nemaze di germahiyên bilind de, di heman demê de qonaxên din li jor germahiya odeyê metastabîl in û di bin şert û mercên germî yên taybetî de meyla veguheztina qonaxa β dikin. Ji ber vê yekê, di salên dawî de pêşxistina cîhazên li ser bingeha β-Ga2O3 di warê elektronîkên hêzê de bûye mijareke girîng.
Tabloya 1 Berawirdkirina hin parametreyên materyalên nîvconductor
Pêkhateya krîstal a β-Ga2O3 ya monoklînîk di Tabloya 1-ê de tê nîşandan. Parametreyên tora wê a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, û β = 103.8° hene. Xaneya yekîneyê ji atomên Ga(I) yên bi koordînasyona tetrahedral a pêçayî û atomên Ga(II) yên bi koordînasyona oktahedral pêk tê. Di rêza "kubîk a pêçayî" de sê rêzikên cûda yên atomên oksîjenê hene, di nav de du atomên O(I) û O(II) yên sêgoşeyî yên koordînasyonkirî û atomek O(III) ya bi koordînasyona tetrahedral. Têkeliya van her du celeb koordînasyona atomî dibe sedema anîzotropiya β-Ga2O3 bi taybetmendiyên taybetî di fîzîk, korozyona kîmyewî, optîk û elektronîkê de.
Wêne 1 Diyagrama avahiya şematîk a krîstala monoklînîk β-Ga2O3
Ji perspektîfa teoriya bendên enerjiyê ve, nirxa herî kêm a benda rêvebirinê ya β-Ga2O3 ji rewşa enerjiyê ya ku bi orbîta hîbrîd a 4s0 ya atoma Ga re têkildar e tê wergirtin. Cûdahiya enerjiyê di navbera nirxa herî kêm a benda rêvebirinê û asta enerjiya valahiyê (enerjiya girêdana elektronê) de tê pîvandin. 4 eV ye. Girseya elektronê ya bi bandor a β-Ga2O3 wekî 0.28–0.33 me tê pîvandin û rêvebirina wê ya elektronîkî ya guncan e. Lêbelê, herî zêde benda valansê xêzek Ek ya kêm kûr bi xêzbûnek pir kêm û orbîtalên O2p yên bihêz herêmî nîşan dide, ku ev yek nîşan dide ku qul bi kûrahî herêmî ne. Ev taybetmendî ji bo bidestxistina dopîngkirina celebê p di β-Ga2O3 de dijwariyek mezin çêdikin. Tewra ku dopîngkirina celebê P jî were bidestxistin, qul μ di astek pir nizm de dimîne. 2. Mezinbûna krîstala yekane ya oksîda gallyûmê ya girseyî Heta niha, rêbaza mezinbûna substrata krîstala yekane ya girseyî ya β-Ga2O3 bi giranî rêbaza kişandina krîstalê ye, wekî teknolojiya Czochralski (CZ), rêbaza xwarina fîlma zirav a bi qirax-diyarkirî (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (Bridgman rtical an horizontal, HB an VB) û teknolojiya herêma şemitok (loating zone, FZ). Di nav hemî rêbazan de, tê payîn ku rêbazên xwarina fîlma zirav a bi qirax-diyarkirî Czochralski û rêbazên xwarina fîlma zirav a bi qirax-diyarkirî di pêşerojê de rêyên herî sozdar ji bo hilberîna girseyî ya waferên β-Ga2O3 bin, ji ber ku ew dikarin di heman demê de bi dest bixin qebareyên mezin û dendikên kêmasiyên kêm. Heta niha, Teknolojiya Krîstala Nû ya Japonya matrîksek bazirganî ji bo mezinbûna helandî ya β-Ga2O3 pêk aniye.
1.1 Rêbaza Czochralski
Prensîba rêbaza Czochralski ew e ku pêşî qata tovê tê nixumandin, û dû re krîstala yekane hêdî hêdî ji helandinê tê derxistin. Rêbaza Czochralski ji ber lêçûn-bandor, şiyanên mezinahiya mezin, û mezinbûna substrata krîstala kalîteya bilind, ji bo β-Ga2O3 girîngtir dibe. Lêbelê, ji ber stresa germî di dema mezinbûna Ga2O3 ya di germahiya bilind de, buharbûna krîstalên yekane, materyalên helandî, û zirara li ser xaçerêya Ir dê çêbibe. Ev encama dijwarbûna bidestxistina dopîngkirina celebê-n a kêm di Ga2O3 de ye. Daxistina mîqdarek guncaw a oksîjenê nav atmosfera mezinbûnê yek rê ye ji bo çareserkirina vê pirsgirêkê. Bi rêya optimîzasyonê, β-Ga2O3 ya 2 înç a kalîteya bilind bi rêjeya konsantrasyona elektrona azad a 10^16~10^19 cm-3 û dendika elektrona herî zêde 160 cm2/Vs bi rêbaza Czochralski bi serkeftî hatiye mezin kirin.
Wêne 2 Krîstala yekane ya β-Ga2O3 ku bi rêbaza Czochralski mezin bûye
1.2 Rêbaza xwarina fîlmê ya bi qiraxa diyarkirî
Rêbaza xwarina fîlma zirav a bi qirax-diyarkirî wekî pêşbazê sereke ji bo hilberîna bazirganî ya materyalên krîstala yekane ya Ga2O3 ya qada mezin tê hesibandin. Prensîba vê rêbazê ew e ku helandin di qalibek bi qulikek kapîlar de were danîn, û helandin bi çalakiya kapîlar ber bi qalibê ve hildikişe. Li jor, fîlmek zirav çêdibe û di hemî aliyan de belav dibe dema ku ji hêla krîstala tov ve tê teşwîqkirin ku krîstalîze bibe. Wekî din, qiraxên serê qalibê dikarin werin kontrol kirin da ku krîstalan di pelik, lûle, an her geometrîya xwestî de hilberînin. Rêbaza xwarina fîlma zirav a bi qirax-diyarkirî ya Ga2O3 rêjeyên mezinbûna bilez û qûtrasên mezin peyda dike. Wêne 3 diyagramek krîstala yekane ya β-Ga2O3 nîşan dide. Wekî din, ji hêla pîvana mezinahiyê ve, substratên β-Ga2O3 yên 2 înç û 4 înç bi şefafî û yekrengiyek hêja hatine bazirganî kirin, di heman demê de substrata 6 înç di lêkolînan de ji bo bazirganîkirina pêşerojê tê nîşandan. Di demên dawî de, materyalên girseyî yên krîstala yekane yên dorhêl ên mezin jî bi arasteya (-201) peyda bûne. Herwiha, rêbaza xwarina fîlmê ya bi qiraxa-dîyarkirî ya β-Ga2O3 di heman demê de dopkirina hêmanên metalên veguhêz jî pêş dixe, û lêkolîn û amadekirina Ga2O3 gengaz dike.
Wêne 3 Krîstala yekane ya β-Ga2O3 ku bi rêbaza xwarina fîlmê ya bi qirax ve hatî destnîşankirin mezin bûye
1.3 Rêbaza Bridgeman
Di rêbaza Bridgeman de, krîstal di nav xaçerêyekê de têne çêkirin ku hêdî hêdî di nav gradyana germahiyê de tê guheztin. Pêvajo dikare bi arasteyek horizontî an vertîkal were kirin, bi gelemperî bi karanîna xaçerêyek zivirî. Hêjayî gotinê ye ku ev rêbaz dibe ku tovên krîstal bikar bîne an neke. Operatorên Bridgman ên kevneşopî ne xwediyê dîtbarîkirina rasterast a pêvajoyên helandin û mezinbûna krîstalan in û divê germahiyan bi rastbûnek bilind kontrol bikin. Rêbaza Bridgman a vertîkal bi giranî ji bo mezinbûna β-Ga2O3 tê bikar anîn û bi şiyana xwe ya mezinbûna di hawîrdorek hewayî de tê zanîn. Di dema pêvajoya mezinbûna rêbaza Bridgman a vertîkal de, windabûna girseyî ya tevahî ya helandin û xaçerêyê di binê 1% de tê girtin, ku mezinbûna krîstalên yekane yên β-Ga2O3 yên mezin bi windabûna herî kêm gengaz dike.
Wêne 4 Krîstala yekane ya β-Ga2O3 ku bi rêbaza Bridgeman hatiye çandin
1.4 Rêbaza herêma guhêrbar
Rêbaza herêma avjenî pirsgirêka gemarbûna krîstalê ji hêla materyalên xaçerêyî ve çareser dike û lêçûnên bilind ên têkildarî xaçerêyên înfrared ên berxwedêr ên germahiya bilind kêm dike. Di vê pêvajoya mezinbûnê de, helandî dikare bi çirayekê were germ kirin ne bi çavkaniyek RF, bi vî rengî hewcedariyên ji bo alavên mezinbûnê hêsan dike. Her çend şekil û kalîteya krîstalê ya β-Ga2O3-ê ku bi rêbaza herêma avjenî ve tê çandin hîn ne çêtirîn in jî, ev rêbaz rêbazek sozdar vedike ji bo mezinbûna β-Ga2O3-ê ya paqijiya bilind bo krîstalên yekane yên budceyî.
Wêne 5 Krîstala yekane ya β-Ga2O3 ku bi rêbaza herêma şemitokî hatiye çandin.
Dema weşandinê: 30ê Gulana 2024an