Kremniý karbidi (SiC) we galliý nitridi (GaN) bilen görkezilýän giň zolakly (WBG) ýarymgeçirijiler giňden üns çekdi. Adamlar kremniý karbidiniň elektrik ulaglarynda we elektrik ulgamlarynda ulanylyş mümkinçiliklerine, şeýle hem galliý nitridiniň çalt zarýad bermekde ulanylyş mümkinçiliklerine uly umyt baglaýarlar. Soňky ýyllarda Ga2O3, AlN we almaz materiallary boýunça geçirilen ylmy-barlag işleri uly ösüşe eýe boldy we ultra giň zolakly ýarymgeçiriji materiallary üns merkezinde goýdy. Olaryň arasynda galliý oksidi (Ga2O3) 4,8 eV zolakly, teoriýa taýdan kritiki döwülme meýdanynyň güýji takmynan 8 MV sm-1, doýgunlyk tizligi takmynan 2E7 sm s-1 we ýokary Baliga hil faktory 3000 bolan täze dörän ultra giň zolakly ýarymgeçiriji material bolup, ýokary woltly we ýokary ýygylykly elektrik elektronikasy ulgamynda giňden üns berilýär.
1. Galliý oksidi materialynyň häsiýetnamalary
Ga2O3-iň uly zolak aralygy bar (4.8 eV), ýokary çydamly woltly we ýokary kuwwatlylyk mümkinçiliklerine ýetmegine garaşylýar we deňeşdirme boýunça pes garşylykda ýokary woltly uýgunlaşmak mümkinçiligine eýe bolup biler, bu bolsa olary häzirki ylmy barlaglaryň merkezine öwürýär. Mundan başga-da, Ga2O3 diňe bir ajaýyp material häsiýetlerine eýe bolmak bilen çäklenmän, eýsem dürli aňsatlyk bilen sazlanyp bolýan n-tipli goşma tehnologiýalaryny, şeýle hem arzan substrat ösüşi we epitaksiýa tehnologiýalaryny hödürleýär. Häzirki wagta çenli Ga2O3-de korund (α), monoklinik (β), kemçilikli şpinel (γ), kubik (δ) we ortorombik (ɛ) fazalary öz içine alýan bäş dürli kristal fazasy açyldy. Termodinamik durnuklylyklar tertipde γ, δ, α, ɛ we β. Monoklinik β-Ga2O3-iň, esasanam ýokary temperaturada iň durnuklydygyny, beýleki fazalaryň bolsa otagyň temperaturasyndan ýokary metastabildigini we belli bir termal şertlerde β fazasyna öwrülmäge meýillidigini bellemek gerek. Şonuň üçin soňky ýyllarda β-Ga2O3 esasly enjamlary işläp düzmek elektrik elektronikasy ulgamynda esasy üns berilýän ugur boldy.
1-nji tablisa Ýarymgeçiriji materiallarynyň käbir parametrleriniň deňeşdirilmegi
Monoklinβ-Ga2O3-iň kristal gurluşy 1-nji tablisada görkezilen. Onuň tor parametrlerine a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å we β = 103.8° girýär. Birlik öýjük burçly tetraedr koordinasiýasy bolan Ga(I) atomlaryndan we oktaedr koordinasiýasy bolan Ga(II) atomlaryndan ybaratdyr. "Burulçly kub" massiwinde kislorod atomlarynyň üç dürli düzülişi bar, şol sanda iki üçburçluk koordinasiýasy bolan O(I) we O(II) atomlary we bir tetraedr koordinasiýasy bolan O(III) atomy. Bu iki görnüşli atom koordinasiýasynyň utgaşmasy fizikada, himiki korroziýada, optikada we elektronikada ýörite häsiýetlere eýe bolan β-Ga2O3-iň anizotropiýasyna getirýär.
1-nji surat Monoklinik β-Ga2O3 kristalynyň shematiki gurluş diagrammasy
Energiýa zolagy teoriýasy nukdaýnazaryndan, β-Ga2O3-iň geçirijilik zolagynyň minimal gymmaty Ga atomynyň 4s0 gibrid orbitasyna laýyk gelýän energiýa ýagdaýyndan alynýar. Geçirijilik zolagynyň minimal gymmaty bilen wakuum energiýa derejesi (elektron ýakynlyk energiýasy) arasyndaky energiýa tapawudy ölçenýär. 4 eV deňdir. β-Ga2O3-iň netijeli elektron massasy 0,28–0,33 me we onuň amatly elektron geçirijiligi hökmünde ölçenýär. Şeýle-de bolsa, walentlik zolagynyň maksimumy örän pes egrilik we güýçli ýerli O2p orbitallary bolan ýüzek Ek egrisini görkezýär, bu bolsa deşikleriň çuňňur ýerlileşdirilendigini görkezýär. Bu häsiýetler β-Ga2O3-de p-tipli goşmagy gazanmak üçin uly kynçylyk döredýär. P-tipli goşmagy gazanyp bolýan hem bolsa, μ deşigi örän pes derejede galýar. 2. Galliý oksidiniň göwrümli monokristalynyň ösüşi Häzirki wagta çenli β-Ga2O3 göwrümli monokristal substratynyň ösüş usuly, esasan, Czochralski (CZ), gyrasyna kesgitlenen inçe plýonka iýmitlendirme usuly (Edge -Defined plýonka iýmitlendirme, EFG), Bridgman (ritical ýa-da gorizontal Bridgman, HB ýa-da VB) we ýüzýän zona (floating zone, FZ) tehnologiýasy ýaly kristal çekiş usulydyr. Ähli usullaryň arasynda Czochralski we gyrasyna kesgitlenen inçe plýonka iýmitlendirme usullarynyň geljekde β-Ga 2O3 waferlerini köpçülikleýin öndürmek üçin iň geljegi uly ýollar bolmagyna garaşylýar, sebäbi olar bir wagtyň özünde uly möçberlere we pes kemçilik dykyzlygyna ýetip bilerler. Häzirki wagta çenli Ýaponiýanyň "Novel Crystal Technology" kompaniýasy β-Ga2O3 erişiniň ösüşi üçin täjirçilik matrisasyny amala aşyrdy.
1.1 Çozralski usuly
Çozhralski usulynyň prinsipi, ilki tohum gatlagynyň örtülmeginden, soňra bolsa monokristalyň eränden ýuwaş-ýuwaşdan çykarylmagyndan ybaratdyr. Çozhralski usuly β-Ga2O3 üçin öz gymmatynyň netijeliligi, uly ölçegli mümkinçilikleri we ýokary kristal hilindäki substrat ösüşi sebäpli barha möhümleşýär. Şeýle-de bolsa, Ga2O3-iň ýokary temperatura ösüşi mahalynda termal stress sebäpli monokristallaryň, erän materiallaryň bugarmagy we Ir tigeliniň zeperlenmegi ýüze çykýar. Bu Ga2O3-de pes n-tipli lehimlenmä ýetmegiň kynçylygynyň netijesidir. Ösüş atmosferasyna degişli mukdarda kislorod girizmek bu meseläni çözmegiň bir usulydyr. Optimizasiýa arkaly, erkin elektron konsentrasiýasy 10^16~10^19 sm-3 we iň ýokary elektron dykyzlygy 160 sm2/Vs bolan ýokary hilli 2 dýuýmly β-Ga2O3 Çozhralski usuly bilen üstünlikli ösdürilip ýetişdirildi.
2-nji surat Çozralski usuly bilen ösdürilip ýetişdirilen β-Ga2O3 monokristallary
1.2 Gyralary kesgitlenen plýonka iýmitlendirme usuly
Gyralary kesgitlenen inçe plýonkaly iýmitlendirme usuly uly meýdanly Ga2O3 monokristal materiallarynyň täjirçilik önümçiliginde esasy bäsdeş hasaplanýar. Bu usulyň prinsipi ergini kapillýar ýarygy bolan galyba ýerleşdirmekdir we ergini kapillýar täsir arkaly galyba göterilýär. Ýokarky böleginde inçe plýonka emele gelýär we ähli taraplara ýaýraýar, şol bir wagtyň özünde tohum kristaly tarapyndan kristallaşmaga itergi berilýär. Mundan başga-da, galypyň ýokarky böleginiň gyralaryny kristallary böleklerde, turbalarda ýa-da islendik islenýän geometriýada öndürmek üçin dolandyryp bolýar. Ga2O3-iň gyralary kesgitlenen inçe plýonkaly iýmitlendirme usuly çalt ösüş tizligini we uly diametrleri üpjün edýär. 3-nji suratda β-Ga2O3 monokristalynyň diagrammasy görkezilen. Mundan başga-da, ölçeg ölçegi babatda ajaýyp açyklyk we deňlik bilen 2 dýuým we 4 dýuým β-Ga2O3 substratlary täjirçilik taýdan satuwa çykaryldy, 6 dýuým substrat bolsa geljekki täjirçilik taýdan satuwa çykarylmak üçin ylmy barlaglarda görkezilýär. Soňky döwürde (−201) ugurly uly tegelek monokristally köpçülikleýin materiallar hem elýeterli boldy. Mundan başga-da, β-Ga2O3 gyrasyna kesgitlenen plýonka iýmitlendirme usuly geçiş metal elementleriniň goşulyşyny hem höweslendirýär, bu bolsa Ga2O3-iň ylmy-barlag işlerini we taýýarlanylmagyny mümkin edýär.
3-nji surat Gyralary kesgitlenen plýonka iýmitlendirme usuly bilen ösdürilip ýetişdirilen β-Ga2O3 monokristal
1.3 Bridžman usuly
Bridgman usulynda kristallar temperatura gradienti boýunça ýuwaş-ýuwaşdan hereket edýän tigelde emele gelýär. Bu proses gorizontal ýa-da dik ugurda, adatça aýlanýan tigelde amala aşyrylyp bilner. Bu usulda kristal tohumlarynyň ulanylyp biljekdigini ýa-da ulanylmajakdygyny bellemek gerek. Adaty Bridgman operatorlarynda ereme we kristallaryň ösüş prosesleriniň gönüden-göni wizualizasiýa ýok we olar temperaturalary ýokary takyklyk bilen dolandyrmalydyrlar. Dik Bridgman usuly esasan β-Ga2O3-iň ösmegi üçin ulanylýar we howa gurşawynda ösüş ukyby bilen tanalýar. Dik Bridgman usulynda ösüş prosesinde ereme we tigeliň umumy massa ýitgisi 1% -den aşakda saklanýar, bu bolsa uly β-Ga2O3 ýeke kristallarynyň minimal ýitgi bilen ösmegine mümkinçilik berýär.
4-nji surat Bridžman usuly bilen ösdürilip ýetişdirilen β-Ga2O3 monokristallary
1.4 Üzýän zona usuly
Suwda ýüzýän zolak usuly kristallaryň tigel materiallary bilen hapalanmagy meselesini çözýär we ýokary temperatura çydamly infragyzyl tigeller bilen baglanyşykly ýokary çykdajylary azaldýar. Bu ösüş prosesinde ergin RF çeşmesiniň ýerine lampa bilen gyzdyrylyp bilner, şeýlelik bilen ösüş enjamlaryna bolan talaplary ýeňilleşdirýär. Suwda ýüzýän zolak usuly bilen ösdürilip ýetişdirilen β-Ga2O3-iň görnüşi we kristal hili heniz iň gowy bolmasa-da, bu usul ýokary arassa β-Ga2O3-i arzan monokristallara öwürmek üçin geljegi uly usul açýar.
5-nji surat. Suzýan zona usuly bilen ösdürilip ýetişdirilen β-Ga2O3 monokristal.
Ýerleşdirilen wagty: 2024-nji ýylyň 30-njy maýy