Цахиурын карбид (SiC) болон галлийн нитрид (GaN)-ээр төлөөлөгдсөн өргөн зурвасын зайтай (WBG) хагас дамжуулагчид өргөн хүрээний анхаарал татсан. Хүмүүс цахилгаан тээврийн хэрэгсэл болон цахилгаан сүлжээнд цахиурын карбидын хэрэглээний хэтийн төлөв, мөн хурдан цэнэглэлтэд галлийн нитридийн хэрэглээний хэтийн төлөвийн талаар өндөр хүлээлттэй байна. Сүүлийн жилүүдэд Ga2O3, AlN болон алмазан материалын судалгаа ихээхэн ахиц дэвшил гаргаж, хэт өргөн зурвасын зайтай хагас дамжуулагч материалыг анхаарлын төвд оруулсан. Тэдгээрийн дотроос галлийн исэл (Ga2O3) нь 4.8 эВ зурвасын зайтай, онолын хувьд чухал задралын талбайн хүч нь ойролцоогоор 8 MV см-1, ханалтын хурд нь ойролцоогоор 2E7cm s-1, өндөр Балига чанарын коэффициент нь 3000 бөгөөд өндөр хүчдэлийн болон өндөр давтамжийн цахилгаан электроникийн салбарт өргөн хүрээний анхаарал татаж байгаа хэт өргөн зурвасын зайтай хагас дамжуулагч материал юм.
1. Галлийн оксидын материалын шинж чанар
Ga2O3 нь том зурвасын зайтай (4.8 эВ), өндөр тэсвэрлэх хүчдэл болон өндөр чадлын аль алиныг нь авах боломжтой гэж үздэг бөгөөд харьцангуй бага эсэргүүцэлтэй үед өндөр хүчдэлийн дасан зохицох чадвартай тул одоогийн судалгааны гол анхаарлын төвд байдаг. Үүнээс гадна, Ga2O3 нь маш сайн материалын шинж чанартай төдийгүй янз бүрийн амархан тохируулж болох n хэлбэрийн допингийн технологи, мөн хямд өртөгтэй субстратын өсөлт, эпитакси технологиудыг хангадаг. Одоогоор Ga2O3-т корунд (α), моноклиник (β), согогтой шпинель (γ), куб (δ) болон орторомбик (ɛ) фазууд зэрэг таван өөр талст фазыг нээсэн. Термодинамик тогтвортой байдал нь γ, δ, α, ɛ, ба β гэсэн дарааллаар байна. Моноклиник β-Ga2O3 нь ялангуяа өндөр температурт хамгийн тогтвортой байдаг бол бусад фазууд нь өрөөний температураас дээш метастатик бөгөөд тодорхой дулааны нөхцөлд β фаз руу шилжих хандлагатай байдаг гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Тиймээс сүүлийн жилүүдэд β-Ga2O3 дээр суурилсан төхөөрөмжүүдийг хөгжүүлэх нь цахилгаан электроникийн салбарт гол анхаарал хандуулж байна.
Хүснэгт 1 Зарим хагас дамжуулагч материалын параметрүүдийн харьцуулалт
Моноклиникβ-Ga2O3-ийн талст бүтцийг Хүснэгт 1-д үзүүлэв. Түүний торны параметрүүдэд a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, болон β = 103.8° орно. Нэгжийн эс нь мушгирсан тетраэдр координаттай Ga(I) атомууд болон октаэдр координаттай Ga(II) атомуудаас бүрдэнэ. "Мушгирсан куб" массивт хүчилтөрөгчийн атомуудын гурван өөр зохион байгуулалт байдаг бөгөөд үүнд гурвалжин координаттай хоёр O(I) ба O(II) атомууд болон нэг тетраэдр координаттай O(III) атом багтана. Эдгээр хоёр төрлийн атомын координатын хослол нь физик, химийн зэврэлт, оптик, электроникийн онцгой шинж чанартай β-Ga2O3-ийн анизотропийг үүсгэдэг.
Зураг 1 Моноклиник β-Ga2O3 талстын бүдүүвч бүтцийн диаграмм
Энергийн зурвасын онолын үүднээс авч үзвэл, β-Ga2O3-ийн дамжуулах зурвасын хамгийн бага утга нь Ga атомын 4s0 эрлийз тойрог замд харгалзах энергийн төлөвөөс гардаг. Дамжуулах зурвасын хамгийн бага утга ба вакуум энергийн түвшин (электроны хамаарлын энерги)-ийн хоорондох энергийн зөрүүг хэмждэг. 4 эВ байна. β-Ga2O3-ийн үр дүнтэй электрон массыг 0.28–0.33 мэ гэж хэмждэг бөгөөд түүний электрон дамжуулах чадвар таатай байдаг. Гэсэн хэдий ч валентийн зурвасын максимум нь маш бага муруйлттай, хүчтэй байрласан O2p орбитал бүхий гүехэн Ek муруйг харуулдаг бөгөөд энэ нь нүхнүүд гүн байрласан болохыг харуулж байна. Эдгээр шинж чанарууд нь β-Ga2O3-д p хэлбэрийн допинг хийхэд асар том бэрхшээл учруулдаг. P хэлбэрийн допинг хийж чадсан ч μ нүх маш бага түвшинд хэвээр байна. 2. Галлийн ислийн бөөнөөр нь дан талстжуулах Одоогийн байдлаар β-Ga2O3 бөөнөөр нь дан талстжуулах субстратын ургалтын арга нь голчлон болор татах арга бөгөөд тухайлбал Czochralski (CZ), ирмэгээр тодорхойлогдсон нимгэн хальсан тэжээлийн арга (Edge -Defined film-fed, EFG), Bridgman (ritical or horizontal Bridgman, HB эсвэл VB) болон хөвөгч бүс (floating zone, FZ) технологи юм. Бүх аргуудын дотроос Czochralski болон ирмэгээр тодорхойлогдсон нимгэн хальсан тэжээлийн аргууд нь ирээдүйд β-Ga2O3 вафлиг олноор үйлдвэрлэх хамгийн ирээдүйтэй арга зам байх төлөвтэй байна, учир нь тэдгээр нь нэгэн зэрэг их хэмжээний, бага нягтралтай согогийг бий болгож чадна. Одоог хүртэл Японы Novel Crystal Technology компани хайлмал өсөлтийн β-Ga2O3-ийн арилжааны матрицыг хэрэгжүүлсэн.
1.1 Чохралскийн арга
Чохралскийн аргын зарчим нь үрийн давхаргыг эхлээд бүрхэж, дараа нь дан талстыг хайлмалаас аажмаар татаж гаргах явдал юм. Чохралскийн арга нь өртөг хэмнэлттэй, том хэмжээтэй, өндөр чанартай талст субстратын ургалттай тул β-Ga2O3-ийн хувьд улам бүр чухал болж байна. Гэсэн хэдий ч Ga2O3-ийн өндөр температурт ургах явцад дулааны стрессээс болж дан талстууд, хайлмал материалууд ууршиж, Ir тигель гэмтэх болно. Энэ нь Ga2O3-д бага n-хэлбэрийн допинг хийхэд бэрхшээлтэй байгаатай холбоотой юм. Өсөлтийн агаар мандалд зохих хэмжээний хүчилтөрөгч оруулах нь энэ асуудлыг шийдэх нэг арга юм. Оновчлолын тусламжтайгаар 10^16~10^19 см-3 чөлөөт электроны концентрацийн хүрээтэй, 160 см2/Vs хамгийн их электрон нягтралтай өндөр чанартай 2 инчийн β-Ga2O3-ийг Чохралскийн аргаар амжилттай ургуулсан.
Зураг 2. Чохралскийн аргаар ургуулсан β-Ga2O3-ийн дан талст
1.2 Ирмэгээр тодорхойлогдсон хальсан тэжээлийн арга
Ирмэгээр тодорхойлогдсон нимгэн хальсан тэжээлийн аргыг том талбайтай Ga2O3 дан талст материалыг арилжааны зорилгоор үйлдвэрлэхэд тэргүүлэх өрсөлдөгч гэж үздэг. Энэ аргын зарчим нь хайлмалыг хялгасан судасны завсартай хэвэнд байрлуулах бөгөөд хайлмал нь хялгасан судасны үйлчлэлээр хэв рүү дээшээ гардаг. Дээд хэсэгт нимгэн хальс үүсч, бүх чиглэлд тархдаг бөгөөд үрийн талстаар талсжихад хүргэдэг. Нэмж дурдахад, хэвний дээд хэсгийн ирмэгийг хянаж, цав, хоолой эсвэл хүссэн геометрийн хэлбэрээр талст үүсгэдэг. Ga2O3-ийн ирмэгээр тодорхойлогдсон нимгэн хальсан тэжээлийн арга нь хурдан өсөлтийн хурд, том диаметрийг өгдөг. Зураг 3-т β-Ga2O3 дан талстын диаграммыг харуулав. Үүнээс гадна, хэмжээний хувьд маш сайн тунгалаг, жигд 2 ба 4 инчийн β-Ga2O3 суурь материалыг арилжааны зорилгоор ашигласан бол 6 инчийн суурь материалыг ирээдүйд арилжааны зорилгоор ашиглах судалгаанд харуулсан болно. Саяхан (−201) чиглэлтэй том дугуй хэлбэртэй дан талст материалууд худалдаанд гарсан. Үүнээс гадна, β-Ga2O3 ирмэгээр тодорхойлогдсон хальсан тэжээлийн арга нь шилжилтийн металлын элементүүдийг допинглоход түлхэц өгч, Ga2O3-ийг судлах, бэлтгэх боломжтой болгодог.
Зураг 3. Ирмэгээр тодорхойлогдсон хальсан тэжээлийн аргаар ургуулсан β-Ga2O3 дан талст
1.3 Бриджманы арга
Бриджманы аргаар талстууд нь температурын градиентаар аажмаар хөдөлдөг тигель дотор үүсдэг. Энэ процессыг хэвтээ эсвэл босоо чиглэлд, ихэвчлэн эргэлдэгч тигель ашиглан гүйцэтгэж болно. Энэ арга нь талстын үрийг ашиглаж болно эсвэл ашиглахгүй байж болно гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Уламжлалт Бриджманы операторууд хайлах болон талстын өсөлтийн процессыг шууд дүрслэх чадваргүй бөгөөд температурыг өндөр нарийвчлалтай хянах ёстой. Босоо Бриджманы аргыг голчлон β-Ga2O3-ийн өсөлтөд ашигладаг бөгөөд агаарын орчинд ургах чадвараараа алдартай. Босоо Бриджманы аргын өсөлтийн процессын үед хайлмал болон тигелийн нийт массын алдагдлыг 1%-иас доош байлгаж, том β-Ga2O3 дан талстуудыг хамгийн бага алдагдалтайгаар ургуулах боломжийг олгодог.
Зураг 4 Бриджманы аргаар ургуулсан β-Ga2O3-ийн дан талст
1.4 Хөвөгч бүсийн арга
Хөвөгч бүсийн арга нь тигелийн материалаар талстын бохирдлын асуудлыг шийдэж, өндөр температурт тэсвэртэй хэт улаан туяаны тигелийн өндөр зардлыг бууруулдаг. Энэхүү өсөлтийн процессын үед хайлмалыг RF эх үүсвэрээс илүү дэнлүүгээр халааж болох бөгөөд ингэснээр өсөлтийн тоног төхөөрөмжийн шаардлагыг хялбаршуулдаг. Хөвөгч бүсийн аргаар ургуулсан β-Ga2O3-ийн хэлбэр, талстын чанар нь одоогоор оновчтой биш байгаа ч энэ арга нь өндөр цэвэршилттэй β-Ga2O3-ийг төсөвт ээлтэй дан талст болгон ургуулах ирээдүйтэй аргыг нээж өгдөг.
Зураг 5. Хөвөгч бүсийн аргаар ургуулсан β-Ga2O3 дан талст.
Нийтэлсэн цаг: 2024 оны 5-р сарын 30