Teknolojia ya ukuaji wa fuwele moja ya Gallium oxide na epitaxial

Semikompati za pengo pana (WBG) zinazowakilishwa na kabidi ya silikoni (SiC) na nitridi ya gallium (GaN) zimepokea umakini mkubwa. Watu wana matarajio makubwa kwa matarajio ya matumizi ya kabidi ya silikoni katika magari ya umeme na gridi za umeme, pamoja na matarajio ya matumizi ya nitridi ya gallium katika kuchaji haraka. Katika miaka ya hivi karibuni, utafiti kuhusu vifaa vya Ga2O3, AlN na almasi umefanya maendeleo makubwa, na kufanya vifaa vya semikompati vya pengo pana sana kuwa kitovu cha umakini. Miongoni mwao, oksidi ya gallium (Ga2O3) ni nyenzo inayoibuka ya semikompati ya pengo pana sana yenye pengo la bendi ya 4.8 eV, nguvu ya uwanja wa kuvunjika kwa kinadharia ya takriban 8 MV cm-1, kasi ya kueneza ya takriban 2E7cm s-1, na kipengele cha ubora wa juu cha Baliga cha 3000, kinachopokea umakini mkubwa katika uwanja wa volteji ya juu na umeme wa masafa ya juu.

1. Sifa za nyenzo za oksidi ya Galliamu

Ga2O3 ina pengo kubwa la bendi (4.8 eV), inatarajiwa kufikia uwezo wa kuhimili volteji nyingi na nguvu nyingi, na inaweza kuwa na uwezo wa kubadilika kwa volteji nyingi kwa upinzani mdogo, na kuzifanya kuwa kitovu cha utafiti wa sasa. Kwa kuongezea, Ga2O3 sio tu kwamba ina sifa bora za nyenzo, lakini pia hutoa teknolojia mbalimbali za doping za aina ya n zinazoweza kurekebishwa kwa urahisi, pamoja na ukuaji wa substrate wa gharama nafuu na teknolojia za epitaksi. Hadi sasa, awamu tano tofauti za fuwele zimegunduliwa katika Ga2O3, ikiwa ni pamoja na awamu za corundum (α), monoclinic (β), spinel yenye kasoro (γ), awamu za ujazo (δ) na orthorhombic (ɛ). Uthabiti wa thermodynamic, kwa mpangilio, ni γ, δ, α, ɛ, na β. Inafaa kuzingatia kwamba monoclinic β-Ga2O3 ndiyo imara zaidi, haswa katika halijoto ya juu, huku awamu zingine zikiwa na metastiki juu ya halijoto ya kawaida na huwa zinabadilika kuwa awamu ya β chini ya hali maalum za joto. Kwa hivyo, maendeleo ya vifaa vyenye msingi wa β-Ga2O3 yamekuwa kipaumbele kikuu katika uwanja wa vifaa vya elektroniki vya umeme katika miaka ya hivi karibuni.

Jedwali 1 Ulinganisho wa baadhi ya vigezo vya nyenzo za nusu nusu

Muundo wa fuwele wa monoclinicβ-Ga2O3 unaonyeshwa katika Jedwali 1. Vigezo vyake vya kimiani ni pamoja na a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, na β = 103.8°. Seli ya kitengo ina atomi za Ga(I) zenye uratibu wa tetrahedra uliopotoka na atomi za Ga(II) zenye uratibu wa oktahedra. Kuna mpangilio tatu tofauti wa atomi za oksijeni katika safu ya "mchemraba uliopotoka", ikijumuisha atomi mbili za O(I) na O(II) zilizoratibiwa kwa pembetatu na atomi moja ya O(III) iliyoratibiwa kwa tetrahedra. Mchanganyiko wa aina hizi mbili za uratibu wa atomi husababisha anisotropi ya β-Ga2O3 yenye sifa maalum katika fizikia, kutu kwa kemikali, optiki na vifaa vya elektroniki.

Mchoro 1 Mchoro wa kimuundo wa kimfumo wa fuwele ya β-Ga2O3 ya monoclinic

Kwa mtazamo wa nadharia ya bendi ya nishati, thamani ya chini kabisa ya bendi ya upitishaji ya β-Ga2O3 inatokana na hali ya nishati inayolingana na mzunguko mseto wa 4s0 wa atomi ya Ga. Tofauti ya nishati kati ya thamani ya chini kabisa ya bendi ya upitishaji na kiwango cha nishati ya utupu (nishati ya mshikamano wa elektroni) hupimwa. ni 4 eV. Uzito wa elektroni unaofaa wa β-Ga2O3 hupimwa kama 0.28–0.33 me na upitishaji wake mzuri wa kielektroniki. Hata hivyo, kiwango cha juu cha bendi ya valensi kinaonyesha mkunjo wa Ek usio na kina wenye mkunjo mdogo sana na obitali za O2p zilizowekwa ndani sana, ikidokeza kwamba mashimo yamewekwa ndani sana. Sifa hizi zinaleta changamoto kubwa kufikia upitishaji wa aina ya p katika β-Ga2O3. Hata kama upitishaji wa aina ya P unaweza kupatikana, μ ya shimo inabaki katika kiwango cha chini sana. 2. Ukuaji wa fuwele moja ya oksidi ya galliamu kwa wingi Hadi sasa, mbinu ya ukuaji wa substrate ya fuwele moja ya β-Ga2O3 kwa wingi ni mbinu ya kuvuta fuwele, kama vile Czochralski (CZ), mbinu ya kulisha filamu nyembamba iliyoainishwa kingo (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (Bridgman ya rtical au ya mlalo, HB au VB) na teknolojia ya eneo linaloelea (eneo linaloelea, FZ). Miongoni mwa mbinu zote, mbinu za kulisha za Czochralski na zenye filamu nyembamba zilizoainishwa kingo zinatarajiwa kuwa njia zenye matumaini zaidi za uzalishaji mkubwa wa wafers za β-Ga 2O3 katika siku zijazo, kwani zinaweza kufikia ujazo mkubwa na msongamano mdogo wa kasoro. Hadi sasa, Teknolojia ya Kioo ya Novel ya Japani imegundua matrix ya kibiashara kwa ukuaji wa β-Ga2O3 wa kuyeyuka.

1.1 Mbinu ya Czochralski

Kanuni ya mbinu ya Czochralski ni kwamba safu ya mbegu hufunikwa kwanza, na kisha fuwele moja hutolewa polepole kutoka kwenye kuyeyuka. Mbinu ya Czochralski inazidi kuwa muhimu kwa β-Ga2O3 kutokana na ufanisi wake wa gharama, uwezo mkubwa wa ukubwa, na ukuaji wa substrate yenye ubora wa juu wa fuwele. Hata hivyo, kutokana na mkazo wa joto wakati wa ukuaji wa halijoto ya juu wa Ga2O3, uvukizi wa fuwele moja, nyenzo za kuyeyuka, na uharibifu wa crucible ya Ir utatokea. Hii ni matokeo ya ugumu wa kufikia doping ya chini ya aina ya n katika Ga2O3. Kuingiza kiasi kinachofaa cha oksijeni katika angahewa ya ukuaji ni njia moja ya kutatua tatizo hili. Kupitia uboreshaji, β-Ga2O3 ya ubora wa juu ya inchi 2 yenye kiwango cha ukolezi wa elektroni huru cha 10^16~10^19 cm-3 na msongamano wa juu wa elektroni wa 160 cm2/Vs imekuzwa kwa mafanikio na mbinu ya Czochralski.

Mchoro 2 Fuwele moja ya β-Ga2O3 iliyokuzwa kwa njia ya Czochralski

1.2 Mbinu ya kulisha filamu iliyoainishwa kwa ukingo

Mbinu ya kulisha filamu nyembamba iliyoainishwa kingo inachukuliwa kuwa mshindani mkuu wa uzalishaji wa kibiashara wa vifaa vya fuwele moja vya Ga2O3 vya eneo kubwa. Kanuni ya njia hii ni kuweka kuyeyuka kwenye umbo lenye mpasuko wa kapilari, na kuyeyuka hupanda hadi kwenye umbo kupitia hatua ya kapilari. Juu, filamu nyembamba huundwa na kuenea pande zote huku ikichochewa kuunganika na fuwele ya mbegu. Zaidi ya hayo, kingo za sehemu ya juu ya ukungu zinaweza kudhibitiwa ili kutoa fuwele katika vipande, mirija, au jiometri yoyote inayotakiwa. Mbinu ya kulisha filamu nyembamba iliyoainishwa kingo ya Ga2O3 hutoa viwango vya ukuaji wa haraka na kipenyo kikubwa. Mchoro 3 unaonyesha mchoro wa fuwele moja ya β-Ga2O3. Kwa kuongezea, kwa upande wa ukubwa, substrates za β-Ga2O3 za inchi 2 na inchi 4 zenye uwazi na usawa bora zimeuzwa, huku substrate ya inchi 6 ikionyeshwa katika utafiti wa biashara ya siku zijazo. Hivi karibuni, vifaa vikubwa vya mviringo vya fuwele moja pia vimepatikana kwa mwelekeo wa (−201). Kwa kuongezea, mbinu ya kulisha filamu iliyoainishwa kingo ya β-Ga2O3 pia inakuza utumiaji wa dawa za kulevya katika vipengele vya metali vya mpito, na kufanya utafiti na utayarishaji wa Ga2O3 uwezekane.

Mchoro 3 β-Ga2O3 fuwele moja iliyokuzwa kwa njia ya kulisha filamu iliyoainishwa kingo

1.3 Mbinu ya Bridgeman

Katika mbinu ya Bridgeman, fuwele huundwa katika chombo cha kusulubisha ambacho husogezwa polepole kupitia mteremko wa halijoto. Mchakato huu unaweza kufanywa kwa mwelekeo wa mlalo au wima, kwa kawaida kwa kutumia chombo cha kusulubisha kinachozunguka. Ni muhimu kuzingatia kwamba njia hii inaweza kutumia au kutotumia mbegu za fuwele. Waendeshaji wa jadi wa Bridgman hawana taswira ya moja kwa moja ya michakato ya kuyeyuka na ukuaji wa fuwele na lazima wadhibiti halijoto kwa usahihi wa hali ya juu. Njia ya Bridgman wima hutumika zaidi kwa ukuaji wa β-Ga2O3 na inajulikana kwa uwezo wake wa kukua katika mazingira ya hewa. Wakati wa mchakato wa ukuaji wa njia ya Bridgman wima, jumla ya upotevu wa uzito wa kuyeyuka na chombo cha kusulubisha huwekwa chini ya 1%, kuwezesha ukuaji wa fuwele kubwa za β-Ga2O3 moja bila hasara kubwa.

Mchoro 4 Fuwele moja ya β-Ga2O3 iliyokuzwa kwa njia ya Bridgeman

1.4 Mbinu ya eneo linaloelea

Mbinu ya ukanda unaoelea hutatua tatizo la uchafuzi wa fuwele na nyenzo zinazoweza kuchomwa na hupunguza gharama kubwa zinazohusiana na vichomwa vya infrared vinavyostahimili joto la juu. Wakati wa mchakato huu wa ukuaji, kuyeyuka kunaweza kupashwa joto na taa badala ya chanzo cha RF, hivyo kurahisisha mahitaji ya vifaa vya ukuaji. Ingawa umbo na ubora wa fuwele wa β-Ga2O3 unaokuzwa na mbinu ya ukanda unaoelea bado haujawa bora, njia hii inafungua njia yenye matumaini ya kukuza β-Ga2O3 yenye usafi wa hali ya juu kuwa fuwele moja zinazostahimili bajeti.