Кремний карбиды (SiC) һәм галлий нитриды (GaN) белән чагылыш тапкан киң зоналы (WBG) ярымүткәргечләр киң игътибар җәлеп итте. Кешеләр кремний карбидын электр транспорт чараларында һәм электр челтәрләрендә куллану перспективаларына, шулай ук тиз зарядкада галлий нитридын куллану перспективаларына зур өметләр баглыйлар. Соңгы елларда Ga2O3, AlN һәм алмаз материаллары буенча тикшеренүләр зур уңышларга иреште, бу ультра киң зоналы ярымүткәргеч материалларны игътибар үзәгенә әйләндерде. Алар арасында галлий оксиды (Ga2O3) - 4,8 эВ зоналы ара, якынча 8 МВ см-1 теоретик критик җимерелү кыры көчәнеше, якынча 2E7 см s-1 туендыру тизлеге һәм 3000 югары Балига сыйфат коэффициенты белән барлыкка килүче ультра киң зоналы ярымүткәргеч материал, ул югары көчәнешле һәм югары ешлыклы электр электроникасы өлкәсендә киң игътибар җәлеп итә.
1. Галлий оксиды материалының үзенчәлекләре
Ga2O3 зур зона аралыгына ия (4,8 эВ), югары чыдамлылык көчәнешенә һәм югары куәткә ирешә дип көтелә, һәм чагыштырмача түбән каршылыкта югары көчәнешкә җайлашу мөмкинлегенә ия, бу аларны хәзерге тикшеренүләрнең үзәге итә. Моннан тыш, Ga2O3 материалның бик яхшы үзлекләренә генә түгел, ә төрле җиңел көйләнергә мөмкин булган n-тип легирлау технологияләрен, шулай ук арзанлы субстрат үсеше һәм эпитаксия технологияләрен дә тәкъдим итә. Хәзерге вакытка кадәр Ga2O3'та биш төрле кристалл фазасы ачылган, шул исәптән корунд (α), моноклин (β), дефектлы шпинель (γ), куб (δ) һәм орторомбик (ɛ) фазалар. Термодинамик тотрыклылыклар, тәртип буенча, γ, δ, α, ɛ һәм β. Шунысын да билгеләп үтәргә кирәк, моноклин β-Ga2O3, бигрәк тә югары температураларда, иң тотрыклысы, ә башка фазалар бүлмә температурасыннан югарырак метастабиль һәм билгеле бер җылылык шартларында β фазасына әверелә. Шуңа күрә, соңгы елларда β-Ga2O3 нигезендәге җайланмаларны эшләү электр электроникасы өлкәсендә төп юнәлешкә әйләнде.
1 нче таблица. Кайбер ярымүткәргеч материал параметрларын чагыштыру.
Моноклин β-Ga2O3 кристалл структурасы 1 нче таблицада күрсәтелгән. Аның решетка параметрларына a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å һәм β = 103.8° керә. Берәмлек күзәнәк бөтерелгән тетраэдр координацияле Ga(I) атомнарыннан һәм октаэдр координацияле Ga(II) атомнарыннан тора. "Бөрелгән кубик" массивында кислород атомнарының өч төрле урнашуы бар, шул исәптән ике өчпочмаклы координацияләнгән O(I) һәм O(II) атомнары һәм бер тетраэдрлы координацияләнгән O(III) атомы. Бу ике төр атом координациясенең кушылуы физика, химик коррозия, оптика һәм электроникада махсус үзлекләргә ия β-Ga2O3 анизотропиясенә китерә.
1 нче рәсем Моноклиник β-Ga2O3 кристалының схематик структура диаграммасы
Энергия зоналары теориясе ягыннан, β-Ga2O3 үткәрү зонасының минималь кыйммәте Ga атомының 4s0 гибрид орбитасына туры килә торган энергия халәтеннән алына. Үткәрү зонасының минималь кыйммәте һәм вакуум энергия дәрәҗәсе (электронга якынлык энергиясе) арасындагы энергия аермасы үлчәнә. 4 эВ тәшкил итә. β-Ga2O3-ның эффектив электрон массасы 0,28–0,33 мэ дип үлчәнә һәм аның уңай электрон үткәрүчәнлеге. Ләкин, валент зонасының максимумы бик түбән кәкрелек һәм көчле локализацияләнгән O2p орбиталлары белән сай Ek кәкресен күрсәтә, бу тишекләрнең тирән локализацияләнгәнен күрсәтә. Бу үзенчәлекләр β-Ga2O3-та p-тип легирлауга ирешү өчен зур кыенлык тудыра. P-тип легирлауга ирешеп булса да, μ тишек бик түбән дәрәҗәдә кала. 2. Галлий оксиды монокристалының күләмле үсеше Хәзерге вакытка кадәр β-Ga2O3 күләмле монокристалл субстратын үстерү ысулы, нигездә, кристалл тарту ысулы, мәсәлән, Чохральски (CZ), кырый белән билгеләнгән юка пленка белән тукландыру ысулы (Edge -Defined plyonka-fed, EFG), Бриджман (rtical яки горизонталь Бриджман, HB яки VB) һәм йөзүче зона (floating zone, FZ) технологиясе. Барлык ысуллар арасында Чохральски һәм кырый белән билгеләнгән юка пленка белән тукландыру ысуллары киләчәктә β-Ga2O3 пластиналарын күпләп җитештерү өчен иң өметле юллар булыр дип көтелә, чөнки алар бер үк вакытта зур күләмнәргә һәм түбән кимчелек тыгызлыгына ирешә ала. Хәзерге вакытка кадәр Япониянең Novel Crystal Technology компаниясе β-Ga2O3 эретмәләрен үстерү өчен коммерция матрицасын гамәлгә ашырды.
1.1 Чохральский ысулы
Чохральски ысулының принцибы шунда: башта орлык катламы каплана, аннары монокристалл эретмәдән әкрен генә чыгарыла. Чохральски ысулы β-Ga2O3 өчен үзенең чыгымлылыгы, зур зурлык мөмкинлекләре һәм югары кристалл сыйфатлы субстрат үсеше аркасында барган саен мөһимрәк. Ләкин, Ga2O3 югары температурада үскәндә термик стресс аркасында монокристаллларның, эретмә материалларының парга әйләнүе һәм Ir тигельгә зыян килү күзәтелә. Бу Ga2O3та түбән n-типлы легирлауга ирешүдәге кыенлыклар нәтиҗәсе. Үсеш атмосферасына тиешле күләмдә кислород кертү - бу проблеманы хәл итүнең бер ысулы. Оптимальләштерү аша, 10^16~10^19 см-3 ирекле электрон концентрациясе диапазонында һәм 160 см2/Vs максималь электрон тыгызлыгы булган югары сыйфатлы 2 дюймлы β-Ga2O3 Чохральски ысулы белән уңышлы үстерелде.
2 нче рәсем. Чохральский ысулы белән үстерелгән β-Ga2O3 монокристалы.
1.2 Кырый белән билгеләнгән пленка белән тукландыру ысулы
Кырый белән билгеләнгән юка пленка белән тукландыру ысулы зур мәйданлы Ga2O3 монокристалл материалларын коммерция җитештерүдә төп көндәш дип санала. Бу ысулның принцибы - эретмәне капилляр ярыгы булган калыпка урнаштыру, һәм эретмә капилляр тәэсире аша калыпка күтәрелә. Өске өлештә юка пленка формалаша һәм барлык юнәлешләрдә тарала, шул ук вакытта орлык кристалы тарафыннан кристаллашуга этәрелә. Моннан тыш, калып өслегенең кырыйларын кабырчыклар, торбалар яки теләсә нинди геометриядә кристаллар ясау өчен контрольдә тотарга мөмкин. Ga2O3 кырый белән билгеләнгән юка пленка белән тукландыру ысулы тиз үсеш темпларын һәм зур диаметрларны тәэмин итә. 3 нче рәсемдә β-Ga2O3 монокристаллының диаграммасы күрсәтелгән. Моннан тыш, зурлык масштабы буенча, үтә күренмәлелеге һәм бер төрлелеге белән 2 дюймлы һәм 4 дюймлы β-Ga2O3 субстратлары коммерцияләштерелде, ә 6 дюймлы субстрат киләчәктә коммерцияләштерү өчен тикшеренүләрдә күрсәтелә. Күптән түгел (−201) юнәлешле зур түгәрәк монокристалллы күп күләмле материаллар да сатыла башлады. Моннан тыш, β-Ga2O3 кырые белән билгеләнгән пленка белән тукландыру ысулы шулай ук күчеш металл элементларын легирлауны стимуллаштыра, бу Ga2O3 ны тикшерү һәм әзерләүне мөмкин итә.
3 нче рәсем. Кырый белән билгеләнгән пленка белән тукландыру ысулы белән үстерелгән β-Ga2O3 монокристалы.
1.3 Бриджман методы
Бриджман ысулында кристаллар температура градиенты аша әкренләп күчерелә торган тигельдә формалаша. Процесс горизонталь яки вертикаль юнәлештә башкарылырга мөмкин, гадәттә әйләнүче тигель кулланып. Шунысын да билгеләп үтәргә кирәк, бу ысул кристалл орлыкларын кулланырга да, кулланмаска да мөмкин. Традицион Бриджман операторлары эрү һәм кристалл үсү процессларын турыдан-туры визуализацияләмиләр һәм температураны югары төгәллек белән контрольдә тотарга тиеш. Вертикаль Бриджман ысулы, нигездә, β-Ga2O3 үстерү өчен кулланыла һәм һава мохитендә үсү сәләте белән билгеле. Вертикаль Бриджман ысулы үсеш процессында эремәнең һәм тигельнең гомуми масса югалтуы 1% тан түбән тотыла, бу зур β-Ga2O3 монокристалларын минималь югалту белән үстерергә мөмкинлек бирә.
4 нче рәсем. Бриджман ысулы белән үстерелгән β-Ga2O3 монокристалы.
1.4 Йөзүче зона ысулы
Йөзүче зона ысулы кристаллларны тигель материаллары белән пычрату проблемасын хәл итә һәм югары температурага чыдам инфракызыл тигельләр белән бәйле югары чыгымнарны киметә. Бу үстерү процессында эретмәне радиоешлык чыганагы түгел, ә лампа белән җылытырга мөмкин, шуның белән үстерү җиһазларына таләпләр гадиләштерелә. Йөзүче зона ысулы белән үстерелгән β-Ga2O3 формасы һәм кристалл сыйфаты әлегә оптималь булмаса да, бу ысул югары сафлыклы β-Ga2O3ны бюджетка туры килә торган монокристаллларга үстерү өчен өметле ысул ача.
5 нче рәсем. Йөзүче зона ысулы белән үстерелгән β-Ga2O3 монокристалы.
Бастырып чыгару вакыты: 2024 елның 30 мае