Нимноқилҳои банди васеъ (WBG), ки аз карбиди кремний (SiC) ва нитриди галлий (GaN) иборатанд, таваҷҷӯҳи васеъро ба худ ҷалб кардаанд. Мардум аз дурнамои истифодаи карбиди кремний дар мошинҳои барқӣ ва шабакаҳои барқӣ, инчунин дурнамои истифодаи нитриди галлий дар пуркунии зуд интизориҳои зиёд доранд. Дар солҳои охир, таҳқиқот дар бораи маводҳои Ga2O3, AlN ва алмос пешрафти назаррас ба даст оварданд, ки маводҳои нимноқилҳои банди ултра васеъро ба маркази таваҷҷӯҳ табдил доданд. Дар байни онҳо, оксиди галлий (Ga2O3) як маводи нимноқилҳои банди ултра васеъ бо банди пайдошуда бо банди банди 4,8 эВ, қувваи майдони шикастани интиқодии назариявӣ тақрибан 8 MV cm-1, суръати сершавии тақрибан 2E7cm s-1 ва омили баланди сифати Балига 3000 мебошад, ки дар соҳаи электроникаи барқии шиддати баланд ва басомади баланд таваҷҷӯҳи васеъро ба худ ҷалб мекунад.
1. Хусусиятҳои маводи оксиди галлий
Ga2O3 дорои фосилаи калони банд (4.8 эВ) мебошад, интизор меравад, ки ҳам ба шиддати баланд ва ҳам ба қобилиятҳои қувваи баланд ноил гардад ва метавонад қобилияти мутобиқшавии шиддати баландро дар муқовимати нисбатан паст дошта бошад, ки онҳоро ба маркази тадқиқоти ҷорӣ табдил медиҳад. Илова бар ин, Ga2O3 на танҳо хосиятҳои аълои мавод дорад, балки як қатор технологияҳои ба осонӣ танзимшавандаи допинги навъи n, инчунин технологияҳои арзони афзоиши субстрат ва эпитаксияро пешниҳод мекунад. То ҳол дар Ga2O3 панҷ фазаи гуногуни кристаллӣ, аз ҷумла корунд (α), моноклинӣ (β), шпинелҳои ноқис (γ), кубӣ (δ) ва фазаҳои орторомбӣ (ɛ) кашф шудаанд. Устувории термодинамикӣ, ба тартиб, γ, δ, α, ɛ ва β мебошанд. Қайд кардан бамаврид аст, ки моноклинӣ β-Ga2O3 устувортарин аст, махсусан дар ҳарорати баланд, дар ҳоле ки фазаҳои дигар аз ҳарорати хонагӣ метаустувор мебошанд ва дар шароити мушаххаси гармӣ ба фазаи β табдил меёбанд. Аз ин рӯ, таҳияи дастгоҳҳои дар асоси β-Ga2O3 дар солҳои охир ба самти асосии электроникаи энергетикӣ табдил ёфтааст.
Ҷадвали 1 Муқоисаи баъзе параметрҳои маводи нимноқил
Сохтори кристаллии моноклиникӣβ-Ga2O3 дар Ҷадвали 1 нишон дода шудааст. Параметрҳои шабакавии он a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å ва β = 103.8° -ро дар бар мегиранд. Ҳуҷайраи воҳидӣ аз атомҳои Ga(I) бо ҳамоҳангсозии тетраэдрии печида ва атомҳои Ga(II) бо ҳамоҳангсозии октаэдрӣ иборат аст. Дар массиви "кубии печида" се тартиби гуногуни атомҳои оксиген мавҷуданд, аз ҷумла ду атоми O(I) ва O(II)-и секунҷа ва як атоми O(III)-и тетраэдрӣ. Омезиши ин ду намуди ҳамоҳангсозии атомӣ ба анизотропияи β-Ga2O3 бо хосиятҳои махсус дар физика, зангзании кимиёвӣ, оптика ва электроника оварда мерасонад.
Расми 1. Диаграммаи сохтории схематикии кристалли моноклинии β-Ga2O3
Аз нигоҳи назарияи бандҳои энергетикӣ, арзиши ҳадди ақали бандҳои гузаронандагии β-Ga2O3 аз ҳолати энергияе, ки ба мадори гибридии 4s0 атоми Ga мувофиқат мекунад, гирифта мешавад. Тафовути энергия байни арзиши ҳадди ақали бандҳои гузаронандагӣ ва сатҳи энергияи вакуум (энергияи наздикии электронӣ) чен карда мешавад. 4 эВ аст. Массаи муассири электронии β-Ga2O3 ҳамчун 0.28–0.33 мэ ва гузаронандагии электронии мусоиди он чен карда мешавад. Аммо, ҳадди аксар бандҳои валентӣ каҷи наонқадар чуқури Ek-ро бо каҷравии хеле паст ва орбиталҳои O2p-и хеле локализатсияшуда нишон медиҳанд, ки нишон медиҳад, ки сӯрохиҳо амиқ локализатсия шудаанд. Ин хусусиятҳо барои ба даст овардани допинги навъи p дар β-Ga2O3 мушкилоти бузург эҷод мекунанд. Ҳатто агар допинги навъи P ба даст оварда шавад ҳам, сӯрохи μ дар сатҳи хеле паст боқӣ мемонад. 2. Парвариши як кристаллии оксиди галлий То ҳол, усули парвариши субстрати як кристаллии β-Ga2O3 асосан усули кашидани кристаллҳо мебошад, ба монанди усули ғизодиҳии плёнкаи тунуки муайяншудаи Чочралски (CZ) (Edge -Defined film-fed, EFG), технологияи Бриджман (Bridgman rtical or horizontal, HB ё VB) ва минтақаи шинокунанда (floating zone, FZ). Дар байни ҳамаи усулҳо, интизор меравад, ки усулҳои ғизодиҳии плёнкаи тунуки муайяншудаи Чочралски ва канорӣ роҳҳои умедбахштарин барои истеҳсоли оммавии вафлиҳои β-Ga2O3 дар оянда бошанд, зеро онҳо метавонанд ҳамзамон ба ҳаҷми калон ва зичии ками нуқсонҳо ноил шаванд. То ҳол, ширкати Novel Crystal Technology-и Ҷопон матритсаи тиҷоратиро барои афзоиши гудохтаи β-Ga2O3 амалӣ кардааст.
1.1 Усули Чохралский
Принсипи усули Чохралски дар он аст, ки аввал қабати тухмӣ пӯшонида мешавад ва сипас монокристалл оҳиста аз гудохта берун карда мешавад. Усули Чохралски барои β-Ga2O3 бинобар самаранокии хароҷот, имконоти андозаи калон ва афзоиши субстрати дорои сифати баланди кристаллӣ аҳамияти бештар пайдо мекунад. Аммо, аз сабаби стресси гармӣ ҳангоми афзоиши ҳарорати баланди Ga2O3, бухоршавии монокристаллҳо, маводҳои гудохта ва осеб дидани Ir тигели ба амал меояд. Ин натиҷаи душвории ноил шудан ба допингкунии пасти навъи n дар Ga2O3 мебошад. Ворид кардани миқдори муносиби оксиген ба атмосфераи афзоиш яке аз роҳҳои ҳалли ин мушкилот аст. Тавассути оптимизатсия, β-Ga2O3-и 2-дюймаи баландсифат бо диапазони консентратсияи электронҳои озоди 10^16~10^19 см-3 ва зичии максималии электронҳои 160 см2/Vs бомуваффақият бо усули Чохралски парвариш карда шудааст.
Расми 2 Монокристалли β-Ga2O3, ки бо усули Чохралский парвариш карда шудааст
1.2 Усули ғизодиҳии плёнкаи муайяншуда бо канор
Усули ғизодиҳии плёнкаи тунуки муайяншуда бо канор яке аз рақибони пешсаф барои истеҳсоли тиҷоратии маводҳои монокристаллии Ga2O3 бо масоҳати калон ҳисобида мешавад. Принсипи ин усул ҷойгир кардани гудохта дар қолаб бо сӯрохи капиллярӣ мебошад ва гудохта тавассути амали капиллярӣ ба қолаб мебарояд. Дар боло, плёнкаи тунук ташаккул меёбад ва дар ҳама самтҳо паҳн мешавад ва дар айни замон аз ҷониби кристалли тухмӣ ба кристалл табдил меёбад. Илова бар ин, канорҳои болои қолабро метавон барои тавлиди кристаллҳо дар пораҳо, найчаҳо ё ҳама гуна геометрияи дилхоҳ идора кард. Усули ғизодиҳии плёнкаи тунуки муайяншудаи Ga2O3 суръати афзоиши босуръат ва диаметрҳои калонро таъмин мекунад. Расми 3 диаграммаи монокристаллии β-Ga2O3-ро нишон медиҳад. Илова бар ин, аз ҷиҳати миқёси андоза, субстратҳои β-Ga2O3-и 2-дюйма ва 4-дюйма бо шаффофият ва якрангии аъло тиҷоратӣ карда шудаанд, дар ҳоле ки субстрати 6-дюйма дар таҳқиқот барои тиҷорати оянда нишон дода шудааст. Ба наздикӣ, маводҳои калонҳаҷми даврашакли монокристаллӣ низ бо самти (−201) дастрас шуданд. Илова бар ин, усули фишурдани плёнкаи муайяншудаи канори β-Ga2O3 инчунин легиркунии унсурҳои металли гузаришро мусоидат мекунад, ки таҳқиқот ва омодасозии Ga2O3-ро имконпазир мегардонад.
Расми 3 Монокристалли β-Ga2O3, ки бо усули ғизодиҳии плёнкаи муайяншуда дар канор парвариш карда шудааст
1.3 Усули Бриджман
Дар усули Бриджмен, кристаллҳо дар таги табақчае ташаккул меёбанд, ки тадриҷан тавассути градиенти ҳарорат ҳаракат мекунад. Ин равандро метавон дар самти уфуқӣ ё амудӣ, одатан бо истифода аз таги табақи чархзананда, анҷом дод. Қобили зикр аст, ки ин усул метавонад тухмиҳои кристаллро истифода барад ё не. Операторҳои анъанавии Бриджмен аз визуализатсияи мустақими равандҳои обшавӣ ва афзоиши кристаллҳо маҳруманд ва бояд ҳароратро бо дақиқии баланд назорат кунанд. Усули амудии Бриджмен асосан барои афзоиши β-Ga2O3 истифода мешавад ва бо қобилияти парвариш дар муҳити ҳавоӣ маълум аст. Дар раванди афзоиши усули амудии Бриджмен, талафоти умумии массаи гудохта ва таги табақча аз 1% камтар нигоҳ дошта мешавад, ки имкон медиҳад, ки кристаллҳои калони β-Ga2O3 бо талафоти ҳадди ақал афзоиш ёбанд.
Расми 4 Монокристалли β-Ga2O3, ки бо усули Бриджман парвариш карда шудааст
1.4 Усули минтақаи шинокунанда
Усули минтақаи шинокунанда мушкили олудашавии кристаллҳоро аз маводи тағора ҳал мекунад ва хароҷоти баланди марбут ба тағораҳои инфрасурхи тобовар ба ҳарорати баландро коҳиш медиҳад. Дар ин раванди афзоиш, гудохтаро метавон бо чароғ, на бо манбаи RF, гарм кард ва бо ин васила талаботро ба таҷҳизоти афзоиш содда кард. Гарчанде ки шакл ва сифати кристаллии β-Ga2O3, ки бо усули минтақаи шинокунанда парвариш карда мешавад, ҳанӯз беҳтарин нест, ин усул усули умедбахшеро барои парвариши β-Ga2O3 бо тозагии баланд ба монокристаллҳои арзон мекушояд.
Расми 5 Монокристалли β-Ga2O3, ки бо усули минтақаи шинокунанда парвариш карда шудааст.
Вақти нашр: 30 майи соли 2024