گاللىي ئوكسىد يەككە كرىستال ۋە ئېپىتاكسىيال ئۆسۈش تېخنىكىسى

كرېمنىي كاربىد (SiC) ۋە گاللىي نىترىد (GaN) قاتارلىق كەڭ بەلۋاغلىق (WBG) يېرىم ئۆتكۈزگۈچلەر كەڭ دائىرىدە دىققەت قوزغىدى. كىشىلەر كرېمنىي كاربىدنىڭ ئېلېكتر ماشىنىلىرى ۋە ئېلېكتر تورىدا قوللىنىلىش ئىستىقبالىغا، شۇنداقلا تېز قۇۋۋەتلەشتە گاللىي نىترىدنىڭ قوللىنىلىش ئىستىقبالىغا يۇقىرى ئۈمىد باغلىدى. يېقىنقى يىللاردىن بۇيان، Ga2O3، AlN ۋە ئالماس ماتېرىياللىرى توغرىسىدىكى تەتقىقاتلار زور ئىلگىرىلەشكە ئېرىشتى، بۇنىڭ بىلەن ئۇلترا كەڭ بەلۋاغلىق يېرىم ئۆتكۈزگۈچ ماتېرىياللار دىققەت مەركىزىگە ئايلاندى. بۇلارنىڭ ئىچىدە، گاللىي ئوكسىد (Ga2O3) 4.8 eV بەلۋاغلىق، نەزەرىيە جەھەتتىن مۇھىم پارچىلىنىش مەيدانى كۈچلۈكلۈكى تەخمىنەن 8 MV cm-1، تويۇنۇش سۈرئىتى تەخمىنەن 2E7cm s-1 ۋە يۇقىرى بالىغا سۈپەت كوئېففىتسېنتى 3000 بولغان يېڭىدىن گۈللىنىۋاتقان ئۇلترا كەڭ بەلۋاغلىق يېرىم ئۆتكۈزگۈچ ماتېرىيال بولۇپ، يۇقىرى ۋولت ۋە يۇقىرى چاستوتىلىق ئېلېكترون مەھسۇلاتلىرى ساھەسىدە كەڭ دائىرىدە دىققەت قوزغىدى.

1. گاللىي ئوكسىد ماتېرىيالىنىڭ خۇسۇسىيىتى

Ga2O3 نىڭ چوڭ بەلۋاغ بوشلۇقى (4.8 eV) بار، ئۇنىڭ يۇقىرى چىداملىق توك بېسىمى ۋە يۇقىرى قۇۋۋەت ئىقتىدارىغا ئېرىشىشى مۆلچەرلەنمەكتە، ھەمدە نىسبەتەن تۆۋەن قارشىلىقتا يۇقىرى توك بېسىمىغا ماسلىشىش ئىقتىدارىغا ئىگە بولۇپ، بۇ ئۇنى ھازىرقى تەتقىقاتنىڭ مەركىزىگە ئايلاندۇرىدۇ. بۇنىڭدىن باشقا، Ga2O3 پەقەت ئېسىل ماتېرىيال خۇسۇسىيىتىگە ئىگە بولۇپلا قالماي، يەنە ھەر خىل ئاسان تەڭشىگىلى بولىدىغان n تىپلىق قوشۇلما تېخنىكىلارنى، شۇنداقلا تۆۋەن باھالىق ئاساسىي قاتلام ئۆسۈشى ۋە ئېپىتاكسىيە تېخنىكىلىرىنى تەمىنلەيدۇ. ھازىرغىچە، Ga2O3 دا كورۇند (α)، مونوكلىن (β)، نۇقسانلىق سپىنېل (γ)، كۇب (δ) ۋە ئورتورومبىك (ɛ) باسقۇچلارنى ئۆز ئىچىگە ئالغان بەش خىل كىرىستال باسقۇچ بايقالدى. تېرمودىنامىكىلىق مۇقىملىق تەرتىپ بويىچە γ، δ، α، ɛ ۋە β. مونوكلىن β-Ga2O3 نىڭ، بولۇپمۇ يۇقىرى تېمپېراتۇرىدا ئەڭ مۇقىم ئىكەنلىكىنى، باشقا باسقۇچلارنىڭ ئۆي تېمپېراتۇرىسىدىن يۇقىرى مېتاستابىل ئىكەنلىكىنى ۋە مەلۇم تېمپېراتۇرا شارائىتىدا β باسقۇچىغا ئايلىنىشقا مايىل ئىكەنلىكىنى ئالاھىدە تىلغا ئېلىشقا ئەرزىيدۇ. شۇڭلاشقا، يېقىنقى يىللاردىن بۇيان، β-Ga2O3 ئاساسلىق ئۈسكۈنىلەرنى تەرەققىي قىلدۇرۇش ئېلېكترون ئېنېرگىيەسى ساھەسىدە مۇھىم نۇقتىغا ئايلاندى.

1-جەدۋەل يېرىم ئۆتكۈزگۈچ ماتېرىيالنىڭ بەزى پارامېتىرلىرىنى سېلىشتۇرۇش

مونوكلىنىكβ-Ga2O3 نىڭ كىرىستال قۇرۇلمىسى 1-جەدۋەلدە كۆرسىتىلدى. ئۇنىڭ تور پارامېتىرلىرى a = 12.21 Å، b = 3.04 Å، c = 5.8 Å ۋە β = 103.8° نى ئۆز ئىچىگە ئالىدۇ. بىرلىك ھۈجەيرە بۇرمىلانغان تېتراھېدرلىق ماسلىشىشچان Ga(I) ئاتوملىرى ۋە ئوكتاھېدرلىق ماسلىشىشچان Ga(II) ئاتوملىرىدىن تەركىب تاپقان. «بۇرۇلغان كۇب» قاتارىدا ئۈچ خىل ئوكسىگېن ئاتوملىرىنىڭ تەرتىپى بار، بۇنىڭ ئىچىدە ئىككى ئۈچبۇلۇڭلۇق ماسلىشىشچان O(I) ۋە O(II) ئاتوملىرى ۋە بىر تېتراھېدرلىق ماسلىشىشچان O(III) ئاتوملىرى بار. بۇ ئىككى خىل ئاتوم ماسلىشىشچانلىقىنىڭ بىرىكىشى β-Ga2O3 نىڭ فىزىكا، خىمىيىلىك چىرىش، ئوپتىكا ۋە ئېلېكترون ساھەسىدىكى ئالاھىدە خۇسۇسىيەتلەرگە ئىگە ئانىزموتروپىيەسىنى كەلتۈرۈپ چىقىرىدۇ.

1-رەسىم مونوكلىنىك β-Ga2O3 كرىستالىنىڭ سىخېماتىك قۇرۇلما دىئاگراممىسى

ئېنېرگىيە بەلبېغى نەزەرىيىسى نۇقتىسىدىن قارىغاندا، β-Ga2O3 نىڭ ئۆتكۈزۈش بەلبېغىنىڭ ئەڭ كىچىك قىممىتى Ga ئاتومىنىڭ 4s0 ئارىلاشما ئوربىتىسىغا ماس كېلىدىغان ئېنېرگىيە ھالىتىدىن ئېلىنغان. ئۆتكۈزۈش بەلبېغىنىڭ ئەڭ كىچىك قىممىتى بىلەن ۋاكۇئۇم ئېنېرگىيە سەۋىيىسى (ئېلېكترون يېقىنلىق ئېنېرگىيەسى) ئوتتۇرىسىدىكى ئېنېرگىيە پەرقى ئۆلچەنگەن. 4 eV. β-Ga2O3 نىڭ ئۈنۈملۈك ئېلېكترون ماسسىسى 0.28–0.33 me ۋە ئۇنىڭ پايدىلىق ئېلېكترون ئۆتكۈزۈشچانلىقى سۈپىتىدە ئۆلچەنگەن. قانداقلا بولمىسۇن، ۋالېنسىيە بەلبېغىنىڭ ئەڭ چوڭ قىممىتىدە ئېغىشچانلىقى ناھايىتى تۆۋەن ۋە يەرلىك O2p ئوربىتىسى كۈچلۈك بولۇپ، تۆشۈكلەرنىڭ چوڭقۇر يەرلىكلەشكەنلىكىنى كۆرسىتىپ بېرىدۇ. بۇ ئالاھىدىلىكلەر β-Ga2O3 دا p تىپلىق قوشما ھاسىل قىلىشقا زور قىيىنچىلىق تۇغدۇرىدۇ. P تىپلىق قوشما ھاسىل قىلغىلى بولسىمۇ، تۆشۈك μ ناھايىتى تۆۋەن سەۋىيەدە تۇرىدۇ. 2. كۆپ مىقداردىكى گاللىي ئوكسىدلىق يەككە كىرىستالنىڭ ئۆسۈشى ھازىرغىچە، β-Ga2O3 كۆپ مىقداردىكى يەككە كىرىستال ئاساسىنىڭ ئۆسۈش ئۇسۇلى ئاساسلىقى كىرىستال تارتىش ئۇسۇلى بولۇپ، مەسىلەن، Czochralski (CZ)، گىرۋەكلىك نېپىز پەردە بىلەن تەمىنلەش ئۇسۇلى (Edge -Defined plyonka-fed, EFG)، Bridgman (ritical ياكى گورىزونتال Bridgman, HB ياكى VB) ۋە سۇ ئۈستىدە ئىشلىتىلىدىغان رايون (floating zone, FZ) تېخنىكىسى. بارلىق ئۇسۇللار ئىچىدە، Czochralski ۋە گىرۋەكلىك نېپىز پەردە بىلەن تەمىنلەش ئۇسۇللىرى كەلگۈسىدە β-Ga 2O3 ۋافلىلىرىنى كۆپ مىقداردا ئىشلەپچىقىرىشنىڭ ئەڭ ئۈمىدۋار يولى بولۇشى مۇمكىن، چۈنكى ئۇلار بىرلا ۋاقىتتا چوڭ ھەجىمدە ۋە تۆۋەن نۇقسان زىچلىقىغا ئېرىشەلەيدۇ. ھازىرغىچە، ياپونىيەنىڭ Novel Crystal Technology شىركىتى β-Ga2O3 ئېرىتمىسىنى ئۆستۈرۈش ئۈچۈن سودا ماترىتسىسىنى ئەمەلگە ئاشۇردى.

1.1 چوخرالسكى ئۇسۇلى

Czochralski ئۇسۇلىنىڭ پىرىنسىپى شۇكى، ئالدى بىلەن ئۇرۇق قەۋىتى يېپىلىدۇ، ئاندىن يەككە كىرىستال ئېرىتمىدىن ئاستا-ئاستا چىقىرىلىدۇ. Czochralski ئۇسۇلى β-Ga2O3 ئۈچۈن ئىقتىسادىي ئۈنۈمى، چوڭلۇقى ۋە يۇقىرى كىرىستال سۈپىتىدىكى ئاساسىي قاتلام ئۆسۈشى سەۋەبىدىن بارغانسېرى مۇھىم بولۇپ كەلمەكتە. قانداقلا بولمىسۇن، Ga2O3 نىڭ يۇقىرى تېمپېراتۇرا ئۆسۈشى جەريانىدا ئىسسىقلىق بېسىمى سەۋەبىدىن يەككە كىرىستاللارنىڭ، ئېرىتمە ماتېرىياللىرىنىڭ پارغا ئايلىنىشى ۋە Ir تىرېلكىسىنىڭ بۇزۇلۇشى يۈز بېرىدۇ. بۇ Ga2O3 دا تۆۋەن n تىپلىق قوشۇلۇشقا ئېرىشىشتىكى قىيىنچىلىقنىڭ نەتىجىسى. ئۆسۈش ئاتموسفېراسىغا مۇۋاپىق مىقداردا ئوكسىگېن كىرگۈزۈش بۇ مەسىلىنى ھەل قىلىشنىڭ بىر ئۇسۇلى. ئەلالاشتۇرۇش ئارقىلىق، ئەركىن ئېلېكترون قويۇقلۇقى دائىرىسى 10^16~10^19 cm-3 ۋە ئەڭ يۇقىرى ئېلېكترون زىچلىقى 160 cm2/Vs بولغان يۇقىرى سۈپەتلىك 2 دىيۇملۇق β-Ga2O3 Czochralski ئۇسۇلى ئارقىلىق مۇۋەپپەقىيەتلىك ئۆستۈرۈلدى.

2-رەسىم، چوخرالسكى ئۇسۇلى ئارقىلىق ئۆستۈرۈلگەن β-Ga2O3 نىڭ يەككە كرىستالى

1.2 گىرۋەكلىك پىلاستىنكا بېرىش ئۇسۇلى

گىرۋىكى ئېنىقلانغان نېپىز پەردە بىلەن تەمىنلەش ئۇسۇلى چوڭ كۆلەملىك Ga2O3 يەككە كىرىستال ماتېرىياللىرىنى سودا ئىشلەپچىقىرىشتىكى ئاساسلىق رىقابەتچى دەپ قارىلىدۇ. بۇ ئۇسۇلنىڭ پرىنسىپى ئېرىتمىنى كاپىليار يېرىقى بار قېلىپقا قويۇش، ئېرىتمە كاپىليار ھەرىكىتى ئارقىلىق قېلىپقا كۆتۈرۈلىدۇ. ئۈستى تەرىپىدە نېپىز پەردە شەكىللىنىدۇ ۋە ھەممە يۆنىلىشكە تارقىلىدۇ، شۇنىڭ بىلەن بىر ۋاقىتتا ئۇرۇق كىرىستال تەرىپىدىن كىرىستاللىشىشقا ئۈندەلىدۇ. بۇنىڭدىن باشقا، قېلىپ ئۈستىنىڭ گىرۋىكىنى كونترول قىلىپ، پارچىلار، تۇرۇبا ياكى خالىغان گېئومېتىرىيە شەكلىدە كىرىستال ھاسىل قىلغىلى بولىدۇ. Ga2O3 نىڭ گىرۋىكى ئېنىقلانغان نېپىز پەردە بىلەن تەمىنلەش ئۇسۇلى تېز ئۆسۈش سۈرئىتى ۋە چوڭ دىئامېتىرلارنى تەمىنلەيدۇ. 3-رەسىمدە β-Ga2O3 يەككە كىرىستالنىڭ دىئاگراممىسى كۆرسىتىلگەن. بۇنىڭدىن باشقا، چوڭلۇق ئۆلچىمى جەھەتتىن ئېيتقاندا، 2 دىيۇملۇق ۋە 4 دىيۇملۇق β-Ga2O3 ئاساسىي قەۋىتى ئېسىل سۈزۈكلۈك ۋە بىردەكلىككە ئىگە بولۇپ، سودا قىلىندى، 6 دىيۇملۇق ئاساسىي قەۋەت بولسا كەلگۈسىدىكى سودا ئۈچۈن تەتقىقاتتا كۆرسىتىلدى. يېقىندا، (−201) يۆنىلىشلىك چوڭ يۇمىلاق يەككە كىرىستاللىق توپ ماتېرىياللارمۇ بازارغا سېلىندى. بۇنىڭدىن باشقا، β-Ga2O3 گىرۋىكى بىلەن بەلگىلەنگەن پىلاستىنكا بىلەن تەمىنلەش ئۇسۇلى ئۆتكۈنچى مېتال ئېلېمېنتلىرىنىڭ قوشۇلۇشىنى ئىلگىرى سۈرۈپ، Ga2O3 نى تەتقىق قىلىش ۋە تەييارلاشنى مۇمكىن قىلىدۇ.

3-رەسىم، گىرۋىكى ئېنىقلانغان پىلاستىنكا بىلەن تەمىنلەش ئۇسۇلى ئارقىلىق ئۆستۈرۈلگەن β-Ga2O3 يەككە كرىستال

1.3 بىرىجمان ئۇسۇلى

Bridgeman ئۇسۇلىدا، كىرىستاللار تېمپېراتۇرا گرادىيېنتى ئارقىلىق ئاستا-ئاستا يۆتكىلىدىغان بىر قېپىقتا شەكىللىنىدۇ. بۇ جەريان گورىزونتال ياكى تىك يۆنىلىشتە ئېلىپ بېرىلىشى مۇمكىن، ئادەتتە ئايلىنىدىغان قېپىق ئىشلىتىلىدۇ. بۇ ئۇسۇلدا كىرىستال ئۇرۇقى ئىشلىتىلىشى ياكى ئىشلىتىلمەسلىكى مۇمكىنلىكىنى ئەسكەرتىش كېرەك. ئەنئەنىۋى Bridgman مەشغۇلاتچىلىرىنىڭ ئېرىش ۋە كىرىستال ئۆسۈش جەريانلىرىنى بىۋاسىتە كۆرۈش ئىقتىدارى يوق، شۇڭا تېمپېراتۇرىنى يۇقىرى ئېنىقلىق بىلەن كونترول قىلىشى كېرەك. تىك Bridgman ئۇسۇلى ئاساسلىقى β-Ga2O3 نىڭ ئۆسۈشى ئۈچۈن ئىشلىتىلىدۇ ھەمدە ھاۋا مۇھىتىدا ئۆسۈش ئىقتىدارى بىلەن داڭلىق. تىك Bridgman ئۇسۇلى ئۆسۈش جەريانىدا، ئېرىتمە ۋە قېپىقنىڭ ئومۇمىي ماسسا يوقىلىشى %1 تىن تۆۋەن ساقلىنىدۇ، بۇنىڭ بىلەن چوڭ β-Ga2O3 يەككە كىرىستاللىرىنىڭ ئەڭ ئاز يوقىتىش بىلەن ئۆسۈشىگە شارائىت ھازىرلىنىدۇ.

4-رەسىم. برىدجمان ئۇسۇلى ئارقىلىق ئۆستۈرۈلگەن β-Ga2O3 نىڭ يەككە كرىستالى.

1.4 سۇ ئۈستىدە ھەرىكەتلىنىدىغان رايون ئۇسۇلى

سۇ ئۈستىدە تۇرىدىغان رايون ئۇسۇلى كىرىستالنىڭ تىغلىق ماتېرىياللار بىلەن بۇلغىنىش مەسىلىسىنى ھەل قىلىدۇ ۋە يۇقىرى تېمپېراتۇرىغا چىداملىق ئىنفىرا قىزىل نۇرلۇق تىغلىقلارنىڭ يۇقىرى تەننەرخىنى تۆۋەنلىتىدۇ. بۇ ئۆستۈرۈش جەريانىدا، ئېرىتمىنى رادىئو چاستوتا مەنبەسى ئەمەس، بەلكى چىراغ بىلەن قىزىتقىلى بولىدۇ، شۇڭا ئۆستۈرۈش ئۈسكۈنىلىرىگە بولغان تەلەپ ئاددىيلاشتۇرۇلىدۇ. سۇ ئۈستىدە تۇرىدىغان رايون ئۇسۇلى ئارقىلىق ئۆستۈرۈلگەن β-Ga2O3 نىڭ شەكلى ۋە كىرىستال سۈپىتى ھازىرچە ئەڭ ياخشى بولمىسىمۇ، بۇ ئۇسۇل يۇقىرى ساپلىقتىكى β-Ga2O3 نى ئەرزان باھالىق يەككە كىرىستاللارغا يېتىشتۈرۈش ئۈچۈن ئۈمىدۋار ئۇسۇل ئاچىدۇ.

5-رەسىم، سۇ ئۈستىدە لەيلىمە ئۇسۇلى ئارقىلىق ئۆستۈرۈلگەن β-Ga2O3 يەككە كرىستال.