ဆီလီကွန်ကာဗိုက် (SiC) နှင့် ဂယ်လီယမ်နိုက်ထရိုက် (GaN) တို့ဖြင့် ကိုယ်စားပြုသော Wide bandgap (WBG) တစ်ပိုင်းလျှပ်ကူးပစ္စည်းများသည် ကျယ်ကျယ်ပြန့်ပြန့် အာရုံစိုက်မှုကို ရရှိထားသည်။ လျှပ်စစ်ယာဉ်များနှင့် ဓာတ်အားလိုင်းများတွင် ဆီလီကွန်ကာဗိုက်၏ အသုံးချမှုအလားအလာများအပြင် အမြန်အားသွင်းခြင်းတွင် ဂယ်လီယမ်နိုက်ထရိုက်၏ အသုံးချမှုအလားအလာများအပေါ် လူများသည် မျှော်လင့်ချက်မြင့်မားကြသည်။ မကြာသေးမီနှစ်များအတွင်း Ga2O3၊ AlN နှင့် စိန်ပစ္စည်းများဆိုင်ရာ သုတေသနသည် သိသာထင်ရှားသော တိုးတက်မှုများရှိခဲ့ပြီး ultra-wide bandgap တစ်ပိုင်းလျှပ်ကူးပစ္စည်းများကို အာရုံစိုက်မှု၏ အဓိကအချက်ဖြစ်လာစေသည်။ ၎င်းတို့အနက် ဂယ်လီယမ်အောက်ဆိုဒ် (Ga2O3) သည် band gap 4.8 eV၊ theoretical critical breakdown field strength 8 MV cm-1 ခန့်၊ saturation velocity 2E7cm s-1 ခန့်နှင့် Baliga quality factor မြင့်မားသော 3000 ရှိသော ultra-wide-bandgap တစ်ပိုင်းလျှပ်ကူးပစ္စည်းအသစ်တစ်ခုဖြစ်ပြီး မြင့်မားသောဗို့အားနှင့် မြင့်မားသောကြိမ်နှုန်းပါဝါအီလက်ထရွန်းနစ်နယ်ပယ်တွင် ကျယ်ကျယ်ပြန့်ပြန့် အာရုံစိုက်မှုကို ရရှိခဲ့သည်။
၁။ ဂယ်လီယမ်အောက်ဆိုဒ်ပစ္စည်း၏ ဝိသေသလက္ခဏာများ
Ga2O3 သည် band gap ကြီးမားပြီး (4.8 eV) ရှိပြီး မြင့်မားသောခံနိုင်ရည်ရှိသောဗို့အားနှင့် မြင့်မားသောပါဝါစွမ်းရည်နှစ်မျိုးလုံးကို ရရှိမည်ဟု မျှော်လင့်ရပြီး ခုခံမှုနည်းပါးသောအခြေအနေတွင် ဗို့အားမြင့်မားစွာ လိုက်လျောညီထွေဖြစ်အောင် လုပ်ဆောင်နိုင်သည့် အလားအလာရှိနိုင်သောကြောင့် လက်ရှိသုတေသန၏ အဓိကအာရုံစိုက်ရာနေရာဖြစ်လာသည်။ ထို့အပြင်၊ Ga2O3 သည် အလွန်ကောင်းမွန်သော ပစ္စည်းဂုဏ်သတ္တိများရှိရုံသာမက အလွယ်တကူချိန်ညှိနိုင်သော n-type doping နည်းပညာအမျိုးမျိုးအပြင် ကုန်ကျစရိတ်နည်းသော substrate growth နှင့် epitaxy နည်းပညာများကိုလည်း ပေးစွမ်းသည်။ ယခုအချိန်အထိ၊ corundum (α)၊ monoclinic (β)၊ defective spinel (γ)၊ cubic (δ) နှင့် orthorhombic (ɛ) phase များအပါအဝင် crystal phases ငါးခုကို Ga2O3 တွင် ရှာဖွေတွေ့ရှိခဲ့သည်။ Thermodynamic stabilities များမှာ γ၊ δ၊ α၊ ɛ နှင့် β တို့ဖြစ်သည်။ monoclinic β-Ga2O3 သည် အထူးသဖြင့် မြင့်မားသောအပူချိန်များတွင် အတည်ငြိမ်ဆုံးဖြစ်ပြီး အခြား phase များသည် အခန်းအပူချိန်အထက်တွင် metastable ဖြစ်ပြီး သီးခြားအပူအခြေအနေများအောက်တွင် β phase အဖြစ်သို့ ပြောင်းလဲသွားတတ်ကြောင်း သတိပြုသင့်သည်။ ထို့ကြောင့်၊ β-Ga2O3-အခြေခံ စက်ပစ္စည်းများ ဖွံ့ဖြိုးတိုးတက်လာခြင်းသည် မကြာသေးမီနှစ်များအတွင်း ပါဝါအီလက်ထရွန်းနစ်နယ်ပယ်တွင် အဓိကအာရုံစိုက်မှုတစ်ခု ဖြစ်လာခဲ့သည်။
ဇယား ၁။ အချို့သော တစ်ပိုင်းလျှပ်ကူးပစ္စည်း ကန့်သတ်ချက်များကို နှိုင်းယှဉ်ခြင်း
monoclinicβ-Ga2O3 ၏ ပုံဆောင်ခဲဖွဲ့စည်းပုံကို ဇယား ၁ တွင် ပြသထားသည်။ ၎င်း၏ lattice parameters များတွင် a = 12.21 Å၊ b = 3.04 Å၊ c = 5.8 Å နှင့် β = 103.8° တို့ ပါဝင်သည်။ ယူနစ်ဆဲလ်တွင် လိမ်ကောက်နေသော tetrahedral coordination ရှိသော Ga(I) အက်တမ်များနှင့် octahedral coordination ရှိသော Ga(II) အက်တမ်များ ပါဝင်သည်။ “လိမ်ကောက်နေသော cubic” array တွင် အောက်ဆီဂျင်အက်တမ်များ၏ အစီအစဉ်သုံးမျိုးရှိပြီး၊ တြိဂံပုံညှိနှိုင်းထားသော O(I) နှင့် O(II) အက်တမ်နှစ်ခုနှင့် tetrahedral ပုံစံညှိနှိုင်းထားသော O(III) အက်တမ်တစ်ခု ပါဝင်သည်။ ဤအက်တမ်ညှိနှိုင်းမှုအမျိုးအစားနှစ်မျိုးပေါင်းစပ်ခြင်းသည် β-Ga2O3 ၏ anisotropy ကိုဖြစ်ပေါ်စေပြီး ရူပဗေဒ၊ ဓာတုဗေဒချေးခြင်း၊ အလင်းပညာနှင့် အီလက်ထရွန်းနစ်ပညာတို့တွင် အထူးဂုဏ်သတ္တိများရှိသည်။
ပုံ ၁ မိုနိုကလစ် β-Ga2O3 ပုံဆောင်ခဲ၏ ပုံကြမ်းဖွဲ့စည်းပုံပုံ
စွမ်းအင်တီးဝိုင်းသီအိုရီ၏ ရှုထောင့်မှကြည့်လျှင် β-Ga2O3 ၏ conduction band ၏ အနိမ့်ဆုံးတန်ဖိုးကို Ga အက်တမ်၏ 4s0 hybrid orbit နှင့် ကိုက်ညီသော စွမ်းအင်အခြေအနေမှ ဆင်းသက်လာသည်။ conduction band ၏ အနိမ့်ဆုံးတန်ဖိုးနှင့် vacuum စွမ်းအင်အဆင့် (electron affinity energy) အကြား စွမ်းအင်ကွာခြားချက်ကို တိုင်းတာသည်။ 4 eV ဖြစ်သည်။ β-Ga2O3 ၏ ထိရောက်သော electron mass ကို 0.28–0.33 me အဖြစ် တိုင်းတာပြီး ၎င်း၏ အကျိုးပြု electronic conductivity ဖြစ်သည်။ သို့သော် valence band အမြင့်ဆုံးသည် အလွန်နိမ့်သော curvature နှင့် strongly localized O2p orbitals ရှိသော shallow Ek curve ကို ပြသပြီး hole များသည် deeply localized ဖြစ်ကြောင်း ညွှန်ပြသည်။ ဤဝိသေသလက္ခဏာများသည် β-Ga2O3 တွင် p-type doping ရရှိရန် ကြီးမားသောစိန်ခေါ်မှုတစ်ရပ်ဖြစ်သည်။ P-type doping ကို ရရှိနိုင်သော်လည်း hole μ သည် အလွန်နိမ့်သောအဆင့်တွင် ရှိနေသေးသည်။ ၂။ ဂယ်လီယမ်အောက်ဆိုဒ် ပုံဆောင်ခဲများ များပြားလာခြင်း ယခုအချိန်အထိ၊ β-Ga2O3 ပုံဆောင်ခဲများ များပြားလာခြင်း အောက်ခံအလွှာ ကြီးထွားလာခြင်းနည်းလမ်းမှာ Czochralski (CZ)၊ အနားသတ်အလွှာပါးဖြင့် ကျွေးမွေးခြင်းနည်းလမ်း (Edge -Defined film-fed, EFG)၊ Bridgman (rtical or horizontal Bridgman, HB or VB) နှင့် floating zone (floating zone, FZ) နည်းပညာကဲ့သို့သော ပုံဆောင်ခဲများ ဆွဲယူခြင်းနည်းလမ်းဖြစ်သည်။ နည်းလမ်းအားလုံးထဲတွင်၊ Czochralski နှင့် အနားသတ်အလွှာပါးဖြင့် ကျွေးမွေးခြင်းနည်းလမ်းများသည် အနာဂတ်တွင် β-Ga 2O3 ဝေဖာများ အစုလိုက်အပြုံလိုက်ထုတ်လုပ်ရန် အလားအလာအရှိဆုံးနည်းလမ်းများဖြစ်လာရန် မျှော်လင့်ရပြီး၊ အဘယ်ကြောင့်ဆိုသော် ၎င်းတို့သည် ပမာဏများစွာနှင့် ချို့ယွင်းချက်သိပ်သည်းဆနည်းပါးမှုကို တစ်ပြိုင်နက်တည်း ရရှိနိုင်သောကြောင့်ဖြစ်သည်။ ယခုအချိန်အထိ၊ ဂျပန်၏ Novel Crystal Technology သည် β-Ga2O3 အရည်ပျော်ကြီးထွားမှုအတွက် စီးပွားဖြစ် matrix တစ်ခုကို အကောင်အထည်ဖော်ခဲ့သည်။
၁.၁ ဇိုခရယ်စကီ နည်းလမ်း
Czochralski နည်းလမ်း၏ အခြေခံမူမှာ အစေ့အလွှာကို ဦးစွာဖုံးအုပ်ပြီးနောက် တစ်ခုတည်းသော ပုံဆောင်ခဲကို အရည်ပျော်မှ ဖြည်းဖြည်းချင်း ဆွဲထုတ်ခြင်းဖြစ်သည်။ Czochralski နည်းလမ်းသည် ၎င်း၏ ကုန်ကျစရိတ်သက်သာမှု၊ အရွယ်အစားကြီးမားမှုနှင့် ပုံဆောင်ခဲအရည်အသွေးမြင့်မားသော အောက်ခံကြီးထွားမှုကြောင့် β-Ga2O3 အတွက် ပိုမိုအရေးပါလာပါသည်။ သို့သော် Ga2O3 ၏ အပူချိန်မြင့်မားစွာ ကြီးထွားမှုအတွင်း အပူဖိစီးမှုကြောင့် တစ်ခုတည်းသော ပုံဆောင်ခဲများ အငွေ့ပျံခြင်း၊ အရည်ပျော်ပစ္စည်းများနှင့် Ir crucible ပျက်စီးမှုများ ဖြစ်ပေါ်လိမ့်မည်။ ၎င်းသည် Ga2O3 တွင် n-type doping နည်းပါးစေရန် အခက်အခဲ၏ ရလဒ်ဖြစ်သည်။ ကြီးထွားမှုလေထုထဲသို့ သင့်လျော်သော အောက်ဆီဂျင်ပမာဏကို ထည့်သွင်းခြင်းသည် ဤပြဿနာကို ဖြေရှင်းရန် နည်းလမ်းတစ်ခုဖြစ်သည်။ အကောင်းဆုံးဖြစ်အောင်ပြုလုပ်ခြင်းဖြင့် 10^16~10^19 cm-3 ၏ အခမဲ့အီလက်ထရွန်ပါဝင်မှုအပိုင်းအခြားနှင့် အများဆုံးအီလက်ထရွန်သိပ်သည်းဆ 160 cm2/Vs ရှိသော အရည်အသွေးမြင့် ၂ လက်မ β-Ga2O3 ကို Czochralski နည်းလမ်းဖြင့် အောင်မြင်စွာ ကြီးထွားစေခဲ့သည်။
ပုံ ၂ Czochralski နည်းလမ်းဖြင့် ကြီးထွားလာသော β-Ga2O3 ၏ တစ်ခုတည်းသော ပုံဆောင်ခဲ
၁.၂ အနားသတ်ဖလင်ကျွေးခြင်းနည်းလမ်း
အနားသတ်အလွှာပါးအစာကျွေးခြင်းနည်းလမ်းသည် ဧရိယာကြီးမားသော Ga2O3 single crystal ပစ္စည်းများ၏ စီးပွားဖြစ်ထုတ်လုပ်မှုအတွက် ဦးဆောင်ယှဉ်ပြိုင်သူအဖြစ် သတ်မှတ်ခံထားရသည်။ ဤနည်းလမ်း၏ အခြေခံမူမှာ capillary slit ပါသော မှိုတစ်ခုထဲတွင် အရည်ပျော်ကိုထည့်ရန်ဖြစ်ပြီး capillary action မှတစ်ဆင့် အရည်ပျော်သည် မှိုသို့တက်လာသည်။ အပေါ်ဘက်တွင် အလွှာပါးတစ်ခု ဖြစ်ပေါ်လာပြီး အစေ့ပုံဆောင်ခဲမှ ပုံဆောင်ခဲများဖြစ်ပေါ်စေစဉ် အရပ်မျက်နှာအားလုံးသို့ ပျံ့နှံ့သွားသည်။ ထို့အပြင် မှိုထိပ်၏အနားများကို flakes၊ ပြွန်များ သို့မဟုတ် မည်သည့်လိုချင်သော geometry တွင်မဆို ပုံဆောင်ခဲများထုတ်လုပ်ရန် ထိန်းချုပ်နိုင်သည်။ Ga2O3 ၏ အနားသတ်အလွှာပါးအစာကျွေးခြင်းနည်းလမ်းသည် မြန်ဆန်သောကြီးထွားမှုနှုန်းနှင့် အချင်းကြီးများပေးသည်။ ပုံ ၃ တွင် β-Ga2O3 single crystal ၏ ပုံကိုပြသထားသည်။ ထို့အပြင် အရွယ်အစားစကေးအရ ၂ လက်မနှင့် ၄ လက်မ β-Ga2O3 အောက်ခံများသည် ပွင့်လင်းမြင်သာမှုနှင့် တစ်ပြေးညီဖြစ်မှုကို ကောင်းမွန်သော စီးပွားဖြစ်ထုတ်လုပ်ခဲ့ပြီး ၆ လက်မအောက်ခံကို အနာဂတ်စီးပွားဖြစ်ထုတ်လုပ်ရန်အတွက် သုတေသနတွင် သရုပ်ပြထားသည်။ မကြာသေးမီက ကြီးမားသော စက်ဝိုင်းပုံသဏ္ဍာန် single-crystal bulk ပစ္စည်းများကိုလည်း (-201) orientation ဖြင့် ရရှိနိုင်ခဲ့သည်။ ထို့အပြင်၊ β-Ga2O3 အနားသတ်သတ်မှတ်ထားသော ဖလင်ကျွေးခြင်း နည်းလမ်းသည် အကူးအပြောင်းသတ္တုဒြပ်စင်များ၏ doping ကိုလည်း မြှင့်တင်ပေးသောကြောင့် Ga2O3 ၏ သုတေသနနှင့် ပြင်ဆင်မှုကို ဖြစ်နိုင်စေသည်။
ပုံ ၃ β-Ga2O3 single crystal ကို edge-defined film feeding နည်းလမ်းဖြင့် ကြီးထွားစေသည်
၁.၃ ဘရစ်ချ်မန်း နည်းလမ်း
Bridgeman နည်းလမ်းတွင်၊ ပုံဆောင်ခဲများကို အပူချိန် gradient မှတစ်ဆင့် တဖြည်းဖြည်း ရွေ့လျားသော crucible တွင် ဖွဲ့စည်းထားသည်။ လုပ်ငန်းစဉ်ကို အလျားလိုက် သို့မဟုတ် ဒေါင်လိုက် ဦးတည်ချက်ဖြင့် လုပ်ဆောင်နိုင်ပြီး၊ များသောအားဖြင့် လည်ပတ်နေသော crucible ကို အသုံးပြုသည်။ ဤနည်းလမ်းသည် ပုံဆောင်ခဲမျိုးစေ့များကို အသုံးပြုနိုင်သည် သို့မဟုတ် အသုံးမပြုနိုင်သည်ကို သတိပြုသင့်သည်။ ရိုးရာ Bridgman အော်ပရေတာများသည် အရည်ပျော်မှုနှင့် ပုံဆောင်ခဲကြီးထွားမှု လုပ်ငန်းစဉ်များကို တိုက်ရိုက်မြင်ယောင်နိုင်စွမ်း မရှိဘဲ အပူချိန်များကို တိကျမှုမြင့်မားစွာ ထိန်းချုပ်ရမည်ဖြစ်သည်။ ဒေါင်လိုက် Bridgman နည်းလမ်းကို အဓိကအားဖြင့် β-Ga2O3 ကြီးထွားမှုအတွက် အသုံးပြုပြီး လေပတ်ဝန်းကျင်တွင် ကြီးထွားနိုင်စွမ်းအတွက် လူသိများသည်။ ဒေါင်လိုက် Bridgman နည်းလမ်း ကြီးထွားမှု လုပ်ငန်းစဉ်အတွင်း၊ အရည်ပျော်နှင့် crucible ၏ စုစုပေါင်းဒြပ်ထုဆုံးရှုံးမှုကို 1% အောက်တွင် ထိန်းသိမ်းထားသောကြောင့် β-Ga2O3 ပုံဆောင်ခဲကြီးများကို အနည်းဆုံးဆုံးရှုံးမှုဖြင့် ကြီးထွားနိုင်စေပါသည်။
ပုံ ၄ Bridgeman နည်းလမ်းဖြင့် ကြီးထွားလာသော β-Ga2O3 ၏ တစ်ခုတည်းသော ပုံဆောင်ခဲ
၁.၄ မျောပါဇုန်နည်းလမ်း
floating zone နည်းလမ်းသည် crucible ပစ္စည်းများကြောင့် ပုံဆောင်ခဲညစ်ညမ်းမှုပြဿနာကို ဖြေရှင်းပေးပြီး အပူချိန်မြင့်မားစွာခံနိုင်ရည်ရှိသော အနီအောက်ရောင်ခြည် crucible များနှင့်ဆက်စပ်သော မြင့်မားသောကုန်ကျစရိတ်များကို လျှော့ချပေးသည်။ ဤကြီးထွားမှုလုပ်ငန်းစဉ်အတွင်း၊ အရည်ပျော်ကို RF အရင်းအမြစ်အစား မီးအိမ်ဖြင့် အပူပေးနိုင်သောကြောင့် ကြီးထွားမှုပစ္စည်းကိရိယာများအတွက် လိုအပ်ချက်များကို ရိုးရှင်းစေသည်။ floating zone နည်းလမ်းဖြင့် ကြီးထွားလာသော β-Ga2O3 ၏ပုံသဏ္ဍာန်နှင့် ပုံဆောင်ခဲအရည်အသွေးသည် အကောင်းဆုံးမဟုတ်သော်လည်း၊ ဤနည်းလမ်းသည် မြင့်မားသောသန့်စင်မှု β-Ga2O3 ကို ဘတ်ဂျက်နှင့်လိုက်လျောညီထွေရှိသော single crystals များအဖြစ် ကြီးထွားစေရန် အလားအလာကောင်းသောနည်းလမ်းတစ်ခုကို ဖွင့်ပေးပါသည်။
ပုံ ၅။ floating zone နည်းလမ်းဖြင့် ကြီးထွားလာသော β-Ga2O3 single crystal။
ပို့စ်တင်ချိန်: ၂၀၂၄ ခုနှစ်၊ မေလ ၃၀ ရက်