ເຕັກໂນໂລຊີການເຕີບໂຕຂອງຜລຶກດຽວ ແລະ ການຈະເລີນເຕີບໂຕແບບ epitaxial ຂອງແກລຽມອອກໄຊ

ເຄິ່ງຕົວນຳທີ່ມີແຖບຄວາມຖີ່ກ້ວາງ (WBG) ເຊິ່ງເປັນຕົວແທນໂດຍຊິລິກອນຄາໄບ (SiC) ແລະແກລຽມໄນໄຕຣດ (GaN) ໄດ້ຮັບຄວາມສົນໃຈຢ່າງກວ້າງຂວາງ. ປະຊາຊົນມີຄວາມຄາດຫວັງສູງຕໍ່ຄວາມສົດໃສດ້ານການນຳໃຊ້ຊິລິກອນຄາໄບໃນຍານພາຫະນະໄຟຟ້າ ແລະ ຕາຂ່າຍໄຟຟ້າ, ເຊັ່ນດຽວກັນກັບຄວາມສົດໃສດ້ານການນຳໃຊ້ແກລຽມໄນໄຕຣດໃນການສາກໄຟໄວ. ໃນຊຸມປີມໍ່ໆມານີ້, ການຄົ້ນຄວ້າກ່ຽວກັບວັດສະດຸ Ga2O3, AlN ແລະເພັດໄດ້ມີຄວາມຄືບໜ້າຢ່າງຫຼວງຫຼາຍ, ເຮັດໃຫ້ວັດສະດຸເຄິ່ງຕົວນຳທີ່ມີແຖບຄວາມຖີ່ກວ້າງພິເສດເປັນຈຸດສຸມຂອງຄວາມສົນໃຈ. ໃນນັ້ນ, ແກລຽມອອກໄຊ (Ga2O3) ເປັນວັດສະດຸເຄິ່ງຕົວນຳທີ່ມີແຖບຄວາມຖີ່ກວ້າງພິເສດທີ່ເກີດຂຶ້ນໃໝ່ທີ່ມີແຖບຄວາມຖີ່ 4.8 eV, ຄວາມແຮງຂອງສະໜາມແຕກຫັກທີ່ສຳຄັນທາງທິດສະດີປະມານ 8 MV cm-1, ຄວາມໄວອີ່ມຕົວປະມານ 2E7cm s-1, ແລະຕົວຄູນຄຸນນະພາບ Baliga ສູງ 3000, ໄດ້ຮັບຄວາມສົນໃຈຢ່າງກວ້າງຂວາງໃນຂະແໜງເອເລັກໂຕຣນິກພະລັງງານແຮງດັນສູງ ແລະ ຄວາມຖີ່ສູງ.

1. ຄຸນລັກສະນະຂອງວັດສະດຸແກລຽມອອກໄຊ

Ga2O3 ມີຊ່ອງຫວ່າງແຖບຂະໜາດໃຫຍ່ (4.8 eV), ຄາດວ່າຈະບັນລຸທັງຄວາມສາມາດໃນການຕ້ານທານແຮງດັນສູງ ແລະ ຄວາມສາມາດໃນການໃຊ້ພະລັງງານສູງ, ແລະ ສາມາດມີທ່າແຮງໃນການປັບຕົວແຮງດັນສູງທີ່ຄວາມຕ້ານທານຕໍ່າ, ເຮັດໃຫ້ພວກມັນເປັນຈຸດສຸມຂອງການຄົ້ນຄວ້າໃນປະຈຸບັນ. ນອກຈາກນັ້ນ, Ga2O3 ບໍ່ພຽງແຕ່ມີຄຸນສົມບັດວັດສະດຸທີ່ດີເລີດເທົ່ານັ້ນ, ແຕ່ຍັງໃຫ້ເຕັກໂນໂລຢີການເສີມປະເພດ n ທີ່ສາມາດປັບໄດ້ງ່າຍຫຼາກຫຼາຍຊະນິດ, ເຊັ່ນດຽວກັນກັບການເຕີບໂຕຂອງຊັ້ນໃຕ້ດິນທີ່ມີລາຄາຖືກ ແລະ ເຕັກໂນໂລຢີ epitaxy. ມາຮອດປະຈຸບັນ, ມີການຄົ້ນພົບຫ້າໄລຍະຂອງຜລຶກທີ່ແຕກຕ່າງກັນໃນ Ga2O3, ລວມທັງໄລຍະ corundum (α), monoclinic (β), defective spinel (γ), cubic (δ) ແລະ orthorhombic (ɛ). ສະຖຽນລະພາບທາງເທີໂມໄດນາມິກແມ່ນ, ຕາມລຳດັບ, γ, δ, α, ɛ, ແລະ β. ມັນເປັນສິ່ງທີ່ໜ້າສັງເກດວ່າ monoclinic β-Ga2O3 ແມ່ນໝັ້ນຄົງທີ່ສຸດ, ໂດຍສະເພາະຢູ່ທີ່ອຸນຫະພູມສູງ, ໃນຂະນະທີ່ໄລຍະອື່ນໆແມ່ນ metastable ສູງກວ່າອຸນຫະພູມຫ້ອງ ແລະ ມີແນວໂນ້ມທີ່ຈະປ່ຽນເປັນໄລຍະ β ພາຍໃຕ້ເງື່ອນໄຂຄວາມຮ້ອນສະເພາະ. ດັ່ງນັ້ນ, ການພັດທະນາອຸປະກອນທີ່ອີງໃສ່ β-Ga2O3 ໄດ້ກາຍເປັນຈຸດສຸມຫຼັກໃນຂະແໜງເອເລັກໂຕຣນິກພະລັງງານໃນຊຸມປີມໍ່ໆມານີ້.

ຕາຕະລາງທີ 1 ການປຽບທຽບພາລາມິເຕີວັດສະດຸເຄິ່ງຕົວນຳບາງອັນ

ໂຄງສ້າງຜລຶກຂອງ monoclinicβ-Ga2O3 ແມ່ນສະແດງຢູ່ໃນຕາຕະລາງທີ 1. ພາລາມິເຕີຂອງຕາຂ່າຍໄຟຟ້າປະກອບມີ a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, ແລະ β = 103.8°. ໜ່ວຍເຊວປະກອບດ້ວຍອະຕອມ Ga(I) ທີ່ມີການປະສານງານ tetrahedral ທີ່ບິດເບືອນ ແລະ ອະຕອມ Ga(II) ທີ່ມີການປະສານງານ octahedral. ມີການຈັດລຽງອະຕອມອົກຊີເຈນທີ່ແຕກຕ່າງກັນສາມຢ່າງໃນອາເຣ "twisted cubic", ລວມທັງອະຕອມ O(I) ແລະ O(II) ທີ່ປະສານງານເປັນຮູບສາມຫຼ່ຽມ ແລະ ອະຕອມ O(III) ທີ່ປະສານງານເປັນຮູບສີ່ຫຼ່ຽມໜຶ່ງອັນ. ການລວມກັນຂອງການປະສານງານອະຕອມສອງປະເພດນີ້ນຳໄປສູ່ anisotropy ຂອງ β-Ga2O3 ທີ່ມີຄຸນສົມບັດພິເສດໃນຟີຊິກ, ການກັດກ່ອນທາງເຄມີ, ທັດສະນະ ແລະ ເອເລັກໂຕຣນິກ.

ຮູບທີ 1 ແຜນວາດໂຄງສ້າງຂອງຜລຶກ monoclinic β-Ga2O3

ຈາກທັດສະນະຂອງທິດສະດີແຖບພະລັງງານ, ຄ່າຕໍ່າສຸດຂອງແຖບການນຳໄຟຟ້າຂອງ β-Ga2O3 ແມ່ນມາຈາກສະຖານະພະລັງງານທີ່ສອດຄ້ອງກັບວົງໂຄຈອນປະສົມ 4s0 ຂອງອະຕອມ Ga. ຄວາມແຕກຕ່າງຂອງພະລັງງານລະຫວ່າງຄ່າຕໍ່າສຸດຂອງແຖບການນຳໄຟຟ້າ ແລະ ລະດັບພະລັງງານສູນຍາກາດ (ພະລັງງານຄວາມສຳພັນຂອງເອເລັກຕຣອນ) ຖືກວັດແທກ. ແມ່ນ 4 eV. ມວນເອເລັກຕຣອນທີ່ມີປະສິດທິພາບຂອງ β-Ga2O3 ຖືກວັດແທກເປັນ 0.28–0.33 me ແລະ ຄວາມນຳໄຟຟ້າທີ່ເອື້ອອຳນວຍຂອງມັນ. ຢ່າງໃດກໍຕາມ, ແຖບວາເລນສ໌ສູງສຸດສະແດງໃຫ້ເຫັນເສັ້ນໂຄ້ງ Ek ຕື້ນທີ່ມີຄວາມໂຄ້ງຕ່ຳຫຼາຍ ແລະ ວົງໂຄຈອນ O2p ທີ່ມີການຕັ້ງຖິ່ນຖານຢ່າງແຂງແຮງ, ຊີ້ໃຫ້ເຫັນວ່າຮູຕ່າງໆມີການຕັ້ງຖິ່ນຖານຢ່າງເລິກເຊິ່ງ. ລັກສະນະເຫຼົ່ານີ້ເປັນສິ່ງທ້າທາຍອັນໃຫຍ່ຫຼວງໃນການບັນລຸການໂດບປະເພດ p ໃນ β-Ga2O3. ເຖິງແມ່ນວ່າການໂດບປະເພດ P ສາມາດບັນລຸໄດ້, ແຕ່ຮູ μ ຍັງຄົງຢູ່ໃນລະດັບຕໍ່າຫຼາຍ. 2. ການເຕີບໂຕຂອງຜລຶກແກ້ວແກລຽມອອກໄຊດ໌ດ່ຽວ ມາຮອດປະຈຸບັນ, ວິທີການເຕີບໂຕຂອງຊັ້ນໃຕ້ດິນຜລຶກແກ້ວ β-Ga2O3 ສ່ວນໃຫຍ່ແມ່ນວິທີການດຶງຜລຶກ, ເຊັ່ນ: Czochralski (CZ), ວິທີການປ້ອນຟິມບາງແບບກຳນົດຂອບ (Edge -Defined film-fed, EFG), Bridgman (bridgman ແບບຂວາງ ຫຼື ແບບນອນ, HB ຫຼື VB) ແລະ ເທັກໂນໂລຢີເຂດລອຍ (floating zone, FZ). ໃນບັນດາວິທີການທັງໝົດ, ວິທີການປ້ອນຟິມບາງແບບກຳນົດຂອບຂອງ Czochralski ແລະ ຄາດວ່າຈະເປັນຊ່ອງທາງທີ່ມີຄວາມຫວັງທີ່ສຸດສຳລັບການຜະລິດແຜ່ນເວເຟີ β-Ga 2O3 ຈຳນວນຫຼາຍໃນອະນາຄົດ, ຍ້ອນວ່າພວກມັນສາມາດບັນລຸປະລິມານຫຼາຍ ແລະ ຄວາມໜາແໜ້ນຂອງຂໍ້ບົກພ່ອງຕ່ຳໄດ້ພ້ອມກັນ. ມາຮອດປະຈຸບັນ, ເທັກໂນໂລຢີຜລຶກແກ້ວໃໝ່ຂອງຍີ່ປຸ່ນໄດ້ຮັບຮູ້ເຖິງແມັດຕຣິກທາງການຄ້າສຳລັບການເຕີບໂຕຂອງລະລາຍ β-Ga2O3.

1.1 ວິທີການຂອງ Czochralski

ຫຼັກການຂອງວິທີການ Czochralski ແມ່ນວ່າຊັ້ນເມັດຖືກປົກຄຸມກ່ອນ, ແລະຫຼັງຈາກນັ້ນຜລຶກດ່ຽວຈະຖືກດຶງອອກຈາກການລະລາຍຊ້າໆ. ວິທີການ Czochralski ມີຄວາມສຳຄັນເພີ່ມຂຶ້ນສຳລັບ β-Ga2O3 ເນື່ອງຈາກປະສິດທິພາບດ້ານຄ່າໃຊ້ຈ່າຍ, ຄວາມສາມາດໃນການຂະໜາດໃຫຍ່, ແລະການເຕີບໂຕຂອງຊັ້ນໃຕ້ດິນທີ່ມີຄຸນນະພາບສູງຂອງຜລຶກ. ຢ່າງໃດກໍຕາມ, ເນື່ອງຈາກຄວາມກົດດັນທາງຄວາມຮ້ອນໃນລະຫວ່າງການເຕີບໂຕທີ່ອຸນຫະພູມສູງຂອງ Ga2O3, ການລະເຫີຍຂອງຜລຶກດ່ຽວ, ວັດສະດຸລະລາຍ, ແລະຄວາມເສຍຫາຍຕໍ່ເຕົາອົບ Ir ຈະເກີດຂຶ້ນ. ນີ້ແມ່ນຜົນມາຈາກຄວາມຫຍຸ້ງຍາກໃນການບັນລຸການເສີມປະເພດ n ຕ່ຳໃນ Ga2O3. ການນຳເອົາອົກຊີເຈນໃນປະລິມານທີ່ເໝາະສົມເຂົ້າສູ່ບັນຍາກາດການເຕີບໂຕແມ່ນວິທີໜຶ່ງທີ່ຈະແກ້ໄຂບັນຫານີ້. ຜ່ານການເພີ່ມປະສິດທິພາບ, β-Ga2O3 ຂະໜາດ 2 ນິ້ວທີ່ມີຄຸນນະພາບສູງທີ່ມີລະດັບຄວາມເຂັ້ມຂຸ້ນຂອງເອເລັກຕຣອນອິດສະຫຼະ 10^16~10^19 cm-3 ແລະຄວາມໜາແໜ້ນຂອງເອເລັກຕຣອນສູງສຸດ 160 cm2/Vs ໄດ້ຖືກປູກຢ່າງສຳເລັດຜົນໂດຍວິທີການ Czochralski.

ຮູບທີ 2 ຜລຶກດ່ຽວຂອງ β-Ga2O3 ທີ່ປູກໂດຍວິທີ Czochralski

1.2 ວິທີການປ້ອນຟິມທີ່ກຳນົດຂອບ

ວິທີການປ້ອນຟິມບາງທີ່ກຳນົດຂອບຖືກຖືວ່າເປັນຄູ່ແຂ່ງຊັ້ນນຳສຳລັບການຜະລິດວັດສະດຸຜລຶກດ່ຽວ Ga2O3 ໃນພື້ນທີ່ຂະໜາດໃຫຍ່. ຫຼັກການຂອງວິທີການນີ້ແມ່ນການວາງສານລະລາຍໃນແມ່ພິມທີ່ມີຮອຍແຕກຂອງເສັ້ນເລືອດຝອຍ, ແລະສານລະລາຍຈະລຸກຂຶ້ນສູ່ແມ່ພິມຜ່ານການກະທຳຂອງເສັ້ນເລືອດຝອຍ. ຢູ່ເທິງສຸດ, ຟິມບາງຈະປະກອບເປັນ ແລະ ແຜ່ລາມໄປທຸກທິດທາງ ໃນຂະນະທີ່ຖືກກະຕຸ້ນໃຫ້ເກີດຜລຶກໂດຍຜລຶກເມັດ. ນອກຈາກນັ້ນ, ຂອບຂອງດ້ານເທິງຂອງແມ່ພິມສາມາດຄວບຄຸມເພື່ອຜະລິດຜລຶກເປັນເກັດ, ທໍ່, ຫຼືຮູບຮ່າງທີ່ຕ້ອງການ. ວິທີການປ້ອນຟິມບາງທີ່ກຳນົດຂອບຂອງ Ga2O3 ໃຫ້ອັດຕາການເຕີບໂຕໄວ ແລະ ເສັ້ນຜ່າສູນກາງຂະໜາດໃຫຍ່. ຮູບທີ 3 ສະແດງແຜນວາດຂອງຜລຶກດ່ຽວ β-Ga2O3. ນອກຈາກນັ້ນ, ໃນແງ່ຂອງຂະໜາດ, ວັດສະດຸພື້ນຖານ β-Ga2O3 ຂະໜາດ 2 ນິ້ວ ແລະ 4 ນິ້ວ ທີ່ມີຄວາມໂປ່ງໃສ ແລະ ເປັນເອກະພາບທີ່ດີເລີດໄດ້ຖືກນຳມາຂາຍໃນການຄ້າ, ໃນຂະນະທີ່ວັດສະດຸພື້ນຖານ 6 ນິ້ວໄດ້ຖືກສະແດງໃຫ້ເຫັນໃນການຄົ້ນຄວ້າເພື່ອການຄ້າໃນອະນາຄົດ. ເມື່ອບໍ່ດົນມານີ້, ວັດສະດຸຂະໜາດໃຫຍ່ຂອງຜລຶກດ່ຽວວົງມົນກໍ່ມີໃຫ້ຊື້ໃນທິດທາງ (−201). ນອກຈາກນັ້ນ, ວິທີການໃຫ້ຟິມທີ່ກຳນົດຂອບ β-Ga2O3 ຍັງສົ່ງເສີມການໂດບຂອງອົງປະກອບໂລຫະປະສົມ, ເຮັດໃຫ້ການຄົ້ນຄວ້າ ແລະ ການກະກຽມ Ga2O3 ເປັນໄປໄດ້.

ຮູບທີ 3 ຜລຶກດຽວ β-Ga2O3 ທີ່ເຕີບໃຫຍ່ໂດຍວິທີການປ້ອນຟິມທີ່ກຳນົດຂອບ

1.3 ວິທີການຂອງ Bridgeman

ໃນວິທີການ Bridgeman, ຜລຶກຈະຖືກສ້າງຕັ້ງຂຶ້ນໃນເຕົາອົບທີ່ຄ່ອຍໆເຄື່ອນຍ້າຍຜ່ານການປ່ຽນແປງຂອງອຸນຫະພູມ. ຂະບວນການດັ່ງກ່າວສາມາດປະຕິບັດໄດ້ໃນທິດທາງນອນ ຫຼື ຕັ້ງ, ໂດຍປົກກະຕິແລ້ວແມ່ນໃຊ້ເຕົາອົບທີ່ໝູນວຽນ. ມັນເປັນສິ່ງສຳຄັນທີ່ສັງເກດວ່າວິທີການນີ້ອາດຈະໃຊ້ ຫຼື ບໍ່ໃຊ້ເມັດຜລຶກ. ຜູ້ປະຕິບັດງານ Bridgman ແບບດັ້ງເດີມຂາດການເບິ່ງເຫັນໂດຍກົງຂອງຂະບວນການລະລາຍ ແລະ ການເຕີບໂຕຂອງຜລຶກ ແລະ ຕ້ອງຄວບຄຸມອຸນຫະພູມດ້ວຍຄວາມແມ່ນຍໍາສູງ. ວິທີການ Bridgman ຕັ້ງສ່ວນໃຫຍ່ແມ່ນໃຊ້ສໍາລັບການເຕີບໂຕຂອງ β-Ga2O3 ແລະ ເປັນທີ່ຮູ້ຈັກສໍາລັບຄວາມສາມາດໃນການເຕີບໂຕໃນສະພາບແວດລ້ອມທາງອາກາດ. ໃນລະຫວ່າງຂະບວນການເຕີບໂຕຂອງວິທີການ Bridgman ຕັ້ງ, ການສູນເສຍມວນສານທັງໝົດຂອງຕົວລະລາຍ ແລະ ເຕົາອົບຖືກຮັກສາໄວ້ຕໍ່າກວ່າ 1%, ເຮັດໃຫ້ການເຕີບໂຕຂອງຜລຶກດ່ຽວ β-Ga2O3 ຂະໜາດໃຫຍ່ມີການສູນເສຍໜ້ອຍທີ່ສຸດ.

ຮູບທີ 4 ຜລຶກດ່ຽວຂອງ β-Ga2O3 ທີ່ປູກໂດຍວິທີ Bridgeman

1.4 ວິທີການເຂດລອຍ

ວິທີການເຂດລອຍຕົວແກ້ໄຂບັນຫາການປົນເປື້ອນຂອງຜລຶກໂດຍວັດສະດຸທີ່ສາມາດໃຊ້ໃນເຕົາອົບໄດ້ ແລະ ຫຼຸດຜ່ອນຄ່າໃຊ້ຈ່າຍສູງທີ່ກ່ຽວຂ້ອງກັບເຕົາອົບອິນຟາເຣດທີ່ທົນທານຕໍ່ອຸນຫະພູມສູງ. ໃນລະຫວ່າງຂະບວນການເຕີບໂຕນີ້, ການລະລາຍສາມາດຖືກໃຫ້ຄວາມຮ້ອນໂດຍໂຄມໄຟແທນທີ່ຈະເປັນແຫຼ່ງ RF, ດັ່ງນັ້ນຈຶ່ງເຮັດໃຫ້ຄວາມຕ້ອງການສຳລັບອຸປະກອນການເຕີບໂຕງ່າຍຂຶ້ນ. ເຖິງແມ່ນວ່າຮູບຮ່າງ ແລະ ຄຸນນະພາບຂອງຜລຶກຂອງ β-Ga2O3 ທີ່ປູກໂດຍວິທີການເຂດລອຍຕົວຍັງບໍ່ທັນດີທີ່ສຸດ, ວິທີການນີ້ເປີດວິທີການທີ່ມີຄວາມຫວັງສຳລັບການປູກ β-Ga2O3 ທີ່ມີຄວາມບໍລິສຸດສູງໃຫ້ເປັນຜລຶກດ່ຽວທີ່ເປັນມິດກັບງົບປະມານ.