Кремний карбиди (SiC) жана галлий нитриди (GaN) менен көрсөтүлгөн кең тилкелүү (WBG) жарым өткөргүчтөр кеңири көңүл бурууга ээ болду. Адамдар кремний карбидин электр унааларында жана электр тармактарында колдонуу келечегине, ошондой эле тез кубаттоодо галлий нитридин колдонуу келечегине чоң үмүт артышат. Акыркы жылдары Ga2O3, AlN жана алмаз материалдары боюнча изилдөөлөр олуттуу ийгиликтерге жетишип, ультра кең тилкелүү жарым өткөргүч материалдарды көңүлдүн борборуна айландырды. Алардын арасында галлий кычкылы (Ga2O3) - бул 4,8 эВ тилкелүү тилкелүү, теориялык критикалык бузулуу талаасынын күчү болжол менен 8 МВ см-1, каныккандык ылдамдыгы болжол менен 2E7 см s-1 жана 3000 жогорку Балига сапат коэффициентине ээ жаңыдан пайда болуп жаткан ультра кең тилкелүү жарым өткөргүч материал, ал жогорку чыңалуудагы жана жогорку жыштыктагы электр электроникасы тармагында кеңири көңүл бурууга ээ.
1. Галлий кычкылынын материалынын мүнөздөмөлөрү
Ga2O3 чоң тилкелүү аралыкка (4,8 эВ) ээ, жогорку чыңалууга жана жогорку кубаттуулукка туруштук бере алат деп күтүлүүдө жана салыштырмалуу төмөн каршылыкта жогорку чыңалууга ыңгайлашуу мүмкүнчүлүгүнө ээ, бул аларды учурдагы изилдөөлөрдүн чордонуна айлантат. Мындан тышкары, Ga2O3 материалдык касиеттердин эң сонунуна гана ээ болбостон, ошондой эле ар кандай оңой жөнгө салынуучу n-типтеги легирлөө технологияларын, ошондой эле арзан баадагы субстраттын өсүшүн жана эпитаксия технологияларын камсыз кылат. Азырынча Ga2O3тө корунд (α), моноклиндик (β), кемчиликтүү шпинель (γ), кубдук (δ) жана орторомбикалык (ɛ) фазаларды камтыган беш башка кристаллдык фаза ачылган. Термодинамикалык туруктуулуктар төмөнкүдөй тартипте болот: γ, δ, α, ɛ жана β. Белгилей кетүүчү нерсе, моноклиндик β-Ga2O3, айрыкча жогорку температурада эң туруктуу, ал эми башка фазалар бөлмө температурасынан жогору метастабилдүү жана белгилүү бир жылуулук шарттарында β фазасына айланууга жакын. Ошондуктан, акыркы жылдары β-Ga2O3 негизиндеги түзүлүштөрдү иштеп чыгуу энергетикалык электроника жаатында негизги багыт болуп калды.
1-таблица Жарым өткөргүч материалдын айрым параметрлерин салыштыруу
Моноклиндикβ-Ga2O3 кристаллдык түзүлүшү 1-таблицада көрсөтүлгөн. Анын торчо параметрлерине a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å жана β = 103.8° кирет. Бирдиктүү клетка бурмаланган тетраэдрдик координациясы бар Ga(I) атомдорунан жана октаэдрдик координациясы бар Ga(II) атомдорунан турат. "Буралган кубдук" массивде кычкылтек атомдорунун үч башка жайгашуусу бар, анын ичинде эки үч бурчтуу координацияланган O(I) жана O(II) атомдору жана бир тетраэдрдик координацияланган O(III) атому бар. Атомдук координациянын бул эки түрүнүн айкалышы физикада, химиялык коррозияда, оптикада жана электроникада өзгөчө касиеттерге ээ болгон β-Ga2O3 анизотропиясына алып келет.
1-сүрөт. Моноклиникалык β-Ga2O3 кристалынын схемалык структуралык диаграммасы.
Энергия тилкесинин теориясынын көз карашынан алганда, β-Ga2O3 өткөргүч тилкесинин минималдуу мааниси Ga атомунун 4s0 гибриддик орбитасына туура келген энергия абалынан алынат. Өткөргүч тилкесинин минималдуу мааниси менен вакуум энергиясынын деңгээлинин (электрондук жакындык энергиясы) ортосундагы энергия айырмасы өлчөнөт. 4 эВ түзөт. β-Ga2O3 эффективдүү электрондук массасы 0,28–0,33 мэ жана анын жагымдуу электрондук өткөргүчтүгү катары өлчөнөт. Бирок, валенттик тилкенин максимуму өтө төмөн ийрилиги жана күчтүү локалдашкан O2p орбиталдары менен тайыз Ek ийри сызыгын көрсөтөт, бул тешиктердин терең локалдашкандыгын көрсөтүп турат. Бул мүнөздөмөлөр β-Ga2O3то p-типтеги кошулмага жетүү үчүн чоң кыйынчылык жаратат. P-типтеги кошулмага жетишилсе да, μ тешик өтө төмөн деңгээлде калат. 2. Галлий оксидинин көлөмдүү монокристаллын өстүрүү Азыркыга чейин β-Ga2O3 көлөмдүү монокристалл субстратын өстүрүү ыкмасы негизинен кристаллдарды тартуу ыкмасы болуп саналат, мисалы, Чохральски (CZ), чети аныкталган жука пленка менен азыктандыруу ыкмасы (Edge -Defined plyonka-fed, EFG), Бриджман (кристалдык же горизонталдык Бриджман, HB же VB) жана калкып жүрүүчү зона (floating zone, FZ) технологиясы. Бардык ыкмалардын ичинен Чохральски жана чети аныкталган жука пленка менен азыктандыруу ыкмалары келечекте β-Ga2O3 пластиналарын массалык түрдө өндүрүүнүн эң келечектүү жолдору болот деп күтүлүүдө, анткени алар бир эле учурда чоң көлөмдөргө жана төмөн кемчиликтердин тыгыздыгына жетише алышат. Ушул убакка чейин Жапониянын Novel Crystal Technology компаниясы β-Ga2O3 эритмесин өстүрүү үчүн коммерциялык матрицаны ишке ашырды.
1.1 Чохральский ыкмасы
Чохральский ыкмасынын принциби - үрөн катмары алгач жабылып, андан кийин монокристалл эритмеден акырындык менен алынып салынат. Чохральский ыкмасы β-Ga2O3 үчүн өзүнүн үнөмдүүлүгү, чоң өлчөмдөгү мүмкүнчүлүктөрү жана жогорку кристаллдык сапаттагы субстраттын өсүшүнө байланыштуу барган сайын маанилүү болуп баратат. Бирок, Ga2O3 жогорку температурада өстүрүү учурундагы жылуулук стрессинен улам, монокристаллдардын, эритме материалдарынын бууланышы жана Ir тигели бузулушу мүмкүн. Бул Ga2O3то төмөн n-типтеги легирлөөгө жетүүдөгү кыйынчылыктардын натыйжасы. Өсүү атмосферасына тийиштүү өлчөмдөгү кычкылтекти киргизүү бул көйгөйдү чечүүнүн бир жолу. Оптималдаштыруу аркылуу, эркин электрондордун концентрациясынын диапазону 10^16~10^19 см-3 жана максималдуу электрон тыгыздыгы 160 см2/Vs болгон жогорку сапаттагы 2 дюймдук β-Ga2O3 Чохральский ыкмасы менен ийгиликтүү өстүрүлдү.
2-сүрөт. Чохральский ыкмасы менен өстүрүлгөн β-Ga2O3 монокристалы.
1.2 Четтери аныкталган пленканы берүү ыкмасы
Чети менен аныкталган жука пленка менен азыктандыруу ыкмасы чоң аянттагы Ga2O3 монокристалл материалдарын коммерциялык өндүрүү үчүн алдыңкы талапкер болуп эсептелет. Бул ыкманын принциби - эритинди капиллярдык тешиктүү калыпка салуу, ал эми эритинди капиллярдык аракет аркылуу калыпка көтөрүлөт. Үстүнкү бөлүгүндө жука пленка пайда болуп, бардык багыттар боюнча жайылып, үрөн кристаллынын жардамы менен кристаллдашат. Мындан тышкары, калыптын үстүнкү бөлүгүнүн четтерин үлпүлдөктөрдө, түтүкчөлөрдө же каалаган геометрияда кристаллдарды пайда кылуу үчүн башкарууга болот. Ga2O3 чети менен аныкталган жука пленка менен азыктандыруу ыкмасы тез өсүү ылдамдыгын жана чоң диаметрлерди камсыз кылат. 3-сүрөттө β-Ga2O3 монокристаллынын диаграммасы көрсөтүлгөн. Мындан тышкары, өлчөмдөрүнүн масштабы боюнча, эң сонун тунуктугу жана бирдейлиги бар 2 дюймдук жана 4 дюймдук β-Ga2O3 субстраттары коммерциялаштырылды, ал эми 6 дюймдук субстрат келечекте коммерциялаштыруу үчүн изилдөөлөрдө көрсөтүлдү. Жакында эле (−201) багыты менен чоң тегерек монокристаллдык көлөмдүү материалдар да жеткиликтүү болду. Мындан тышкары, β-Ga2O3 чети менен аныкталган пленка менен азыктандыруу ыкмасы өткөөл металл элементтеринин кошулушун да шарттайт, бул Ga2O3 изилдөөсүн жана даярдоону мүмкүн кылат.
3-сүрөт. Чети аныкталган пленка менен азыктандыруу ыкмасы менен өстүрүлгөн β-Ga2O3 монокристалы.
1.3 Бриджмен ыкмасы
Бриджмен ыкмасында кристаллдар температура градиенти аркылуу акырындык менен жылдырылган тигельде пайда болот. Бул процесс горизонталдуу же вертикалдуу багытта, адатта айлануучу тигельди колдонуу менен жүргүзүлүшү мүмкүн. Белгилей кетүүчү нерсе, бул ыкма кристалл уруктарын колдонушу же колдонбошу мүмкүн. Салттуу Бриджмен операторлору эрүү жана кристаллдын өсүү процесстерин түз визуалдаштырууга ээ эмес жана температураны жогорку тактык менен көзөмөлдөшү керек. Вертикалдуу Бриджмен ыкмасы негизинен β-Ga2O3 өстүрүү үчүн колдонулат жана аба чөйрөсүндө өсүү жөндөмү менен белгилүү. Вертикалдуу Бриджмен ыкмасынын өсүү процессинде эритменин жана тигельдин жалпы массалык жоготуусу 1% дан төмөн кармалып, чоң β-Ga2O3 монокристаллдарынын минималдуу жоготуу менен өсүшүнө мүмкүндүк берет.
4-сүрөт. Бриджмен ыкмасы менен өстүрүлгөн β-Ga2O3 монокристалы.
1.4 Калкып жүрүүчү зона ыкмасы
Калкып жүрүүчү зона ыкмасы кристаллдарды тигель материалдары менен булгануу көйгөйүн чечет жана жогорку температурага туруктуу инфракызыл тигельдер менен байланышкан жогорку чыгымдарды азайтат. Бул өстүрүү процессинде эритиндини радиожыштык булагы эмес, лампа менен ысытса болот, ошону менен өстүрүү жабдууларына болгон талаптар жөнөкөйлөтүлөт. Калкып жүрүүчү зона ыкмасы менен өстүрүлгөн β-Ga2O3 формасы жана кристаллдык сапаты азырынча оптималдуу болбосо да, бул ыкма жогорку тазалыктагы β-Ga2O3тү бюджетке ылайыктуу монокристалдарга айландыруу үчүн келечектүү ыкманы ачат.
5-сүрөт. Калкып жүрүүчү зона ыкмасы менен өстүрүлгөн β-Ga2O3 монокристалы.
Жарыяланган убактысы: 2024-жылдын 30-майы