Kremniy karbid (SiC) va galliy nitrid (GaN) bilan ifodalangan keng tarmoqli oralig'i (WBG) yarimo'tkazgichlari keng e'tiborga sazovor bo'ldi. Odamlar kremniy karbidining elektr transport vositalari va elektr tarmoqlarida qo'llanilish istiqbollariga, shuningdek, galliy nitridining tez zaryadlashda qo'llanilish istiqbollariga katta umid bog'laydilar. So'nggi yillarda Ga2O3, AlN va olmos materiallari bo'yicha tadqiqotlar sezilarli yutuqlarga erishdi va ultra keng tarmoqli oralig'i yarimo'tkazgich materiallarini diqqat markaziga aylantirdi. Ular orasida galliy oksidi (Ga2O3) 4,8 eV tarmoqli oralig'i, taxminan 8 MV sm-1 nazariy tanqidiy parchalanish maydoni kuchlanishi, taxminan 2E7 sm s-1 to'yinganlik tezligi va 3000 yuqori Baliga sifat koeffitsientiga ega bo'lgan yangi paydo bo'layotgan ultra keng tarmoqli oralig'i yarimo'tkazgich materiali bo'lib, yuqori kuchlanishli va yuqori chastotali elektr elektronikasi sohasida keng e'tiborga sazovor bo'lmoqda.
1. Galliy oksidi materialining xususiyatlari
Ga2O3 katta tasma oralig'iga (4,8 eV) ega, yuqori bardoshli kuchlanish va yuqori quvvat imkoniyatlariga ega bo'lishi kutilmoqda va nisbatan past qarshilikda yuqori kuchlanishga moslashuvchanlik potentsialiga ega bo'lishi mumkin, bu ularni hozirgi tadqiqotlarning markaziga aylantiradi. Bundan tashqari, Ga2O3 nafaqat ajoyib material xususiyatlariga ega, balki turli xil osongina sozlanadigan n-turdagi qo'shimcha texnologiyalarni, shuningdek, arzon substrat o'sishi va epitaksiya texnologiyalarini ham taqdim etadi. Hozirgacha Ga2O3 da besh xil kristall fazalar, jumladan, korund (α), monoklinik (β), nuqsonli shpinel (γ), kubik (δ) va ortorombik (ɛ) fazalar aniqlangan. Termodinamik barqarorliklar, tartibda, γ, δ, α, ɛ va β. Shuni ta'kidlash kerakki, monoklinik β-Ga2O3, ayniqsa yuqori haroratlarda eng barqaror hisoblanadi, boshqa fazalar esa xona haroratidan yuqori metastabil bo'lib, ma'lum bir issiqlik sharoitida β fazasiga aylanishga moyil. Shuning uchun, so'nggi yillarda β-Ga2O3 asosidagi qurilmalarni ishlab chiqish elektr elektronikasi sohasida asosiy yo'nalishga aylandi.
1-jadval. Ba'zi yarimo'tkazgich material parametrlarini taqqoslash
Monoklinikβ-Ga2O3 ning kristall tuzilishi 1-jadvalda ko'rsatilgan. Uning panjara parametrlari a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å va β = 103.8° ni o'z ichiga oladi. Birlik katakcha buralgan tetraedr koordinatsiyasiga ega Ga(I) atomlaridan va oktaedr koordinatsiyasiga ega Ga(II) atomlaridan iborat. "Buralgan kubik" massivda kislorod atomlarining uch xil joylashuvi mavjud, jumladan, ikkita uchburchak koordinatsiyalangan O(I) va O(II) atomlari va bitta tetraedr koordinatsiyalangan O(III) atomi. Ushbu ikki turdagi atom koordinatsiyasining kombinatsiyasi fizika, kimyoviy korroziya, optika va elektronikada maxsus xususiyatlarga ega β-Ga2O3 ning anizotropiyasiga olib keladi.
1-rasm Monoklinik β-Ga2O3 kristalining sxematik strukturaviy diagrammasi
Energiya zonasi nazariyasi nuqtai nazaridan, β-Ga2O3 o'tkazuvchanlik zonasining minimal qiymati Ga atomining 4s0 gibrid orbitasiga mos keladigan energiya holatidan olinadi. O'tkazuvchanlik zonasining minimal qiymati va vakuum energiya darajasi (elektron yaqinlik energiyasi) o'rtasidagi energiya farqi o'lchanadi. 4 eV ga teng. β-Ga2O3 ning samarali elektron massasi 0,28–0,33 me va uning qulay elektron o'tkazuvchanligi sifatida o'lchanadi. Biroq, valentlik zonasining maksimal qiymati juda past egrilik va kuchli lokalizatsiyalangan O2p orbitallari bilan sayoz Ek egri chizig'ini ko'rsatadi, bu esa teshiklarning chuqur lokalizatsiyalanganligini ko'rsatadi. Bu xususiyatlar β-Ga2O3 da p-turdagi qo'shilishga erishish uchun katta qiyinchilik tug'diradi. P-turdagi qo'shilishga erishish mumkin bo'lsa ham, μ teshik juda past darajada qoladi. 2. Galliy oksidi monokristalining quyma o'sishi Hozircha β-Ga2O3 quyma monokristal substratining o'sish usuli asosan kristallni tortish usuli hisoblanadi, masalan, Czochralski (CZ), chekka bilan aniqlangan yupqa plyonkali oziqlantirish usuli (Edge -Defined plyonkali oziqlantirish, EFG), Bridgman (ritical yoki gorizontal Bridgman, HB yoki VB) va suzuvchi zona (floating zone, FZ) texnologiyasi. Barcha usullar orasida Czochralski va chekka bilan aniqlangan yupqa plyonkali oziqlantirish usullari kelajakda β-Ga2O3 plastinkalarini ommaviy ishlab chiqarish uchun eng istiqbolli yo'nalish bo'lishi kutilmoqda, chunki ular bir vaqtning o'zida katta hajmlarga va past nuqson zichligiga erishishlari mumkin. Hozirgacha Yaponiyaning Novel Crystal Technology kompaniyasi β-Ga2O3 eritmasini o'stirish uchun tijorat matritsasini yaratdi.
1.1 Czochralski usuli
Czochralski usulining printsipi shundan iboratki, avval urug' qatlami qoplanadi, so'ngra monokristal eritmadan asta-sekin tortib olinadi. Czochralski usuli β-Ga2O3 uchun tejamkorligi, katta o'lchamli imkoniyatlari va yuqori kristall sifatli substrat o'sishi tufayli tobora muhim ahamiyat kasb etmoqda. Biroq, Ga2O3 ning yuqori haroratli o'sishi paytida termal stress tufayli monokristallar, eritilgan materiallarning bug'lanishi va Ir tigelining shikastlanishi sodir bo'ladi. Bu Ga2O3 da past n-turdagi qo'shimchaga erishishdagi qiyinchilik natijasidir. O'sish atmosferasiga kerakli miqdorda kislorod kiritish bu muammoni hal qilishning bir usuli hisoblanadi. Optimallashtirish orqali Czochralski usuli bilan 10^16~10^19 sm-3 erkin elektron konsentratsiyasi diapazoniga va 160 sm2/Vs maksimal elektron zichligiga ega yuqori sifatli 2 dyuymli β-Ga2O3 muvaffaqiyatli o'stirildi.
2-rasm. Czochralski usuli bilan yetishtirilgan β-Ga2O3 monokristalli
1.2 Chetga qarab belgilangan plyonkali oziqlantirish usuli
Chetga qarab aniqlangan yupqa plyonkali oziqlantirish usuli katta maydonli Ga2O3 monokristalli materiallarni tijorat maqsadlarida ishlab chiqarishda yetakchi da'vogar hisoblanadi. Ushbu usulning printsipi eritmani kapillyar tirqishli qolipga joylashtirishdir va eritma kapillyar ta'sir orqali qolipga ko'tariladi. Yuqori qismida yupqa plyonka hosil bo'ladi va urug' kristalli tomonidan kristallanishga undalganda barcha yo'nalishlarda tarqaladi. Bundan tashqari, qolip ustki qismining chekkalarini yoriqlar, naychalar yoki istalgan geometriyada kristallar hosil qilish uchun boshqarish mumkin. Ga2O3 ning chekka bilan aniqlangan yupqa plyonkali oziqlantirish usuli tez o'sish sur'atlari va katta diametrlarni ta'minlaydi. 3-rasmda β-Ga2O3 monokristalining diagrammasi ko'rsatilgan. Bundan tashqari, o'lcham shkalasi jihatidan ajoyib shaffoflik va bir xillikka ega 2 dyuymli va 4 dyuymli β-Ga2O3 substratlari tijoratlashtirildi, 6 dyuymli substrat esa kelajakda tijoratlashtirish uchun tadqiqotlarda namoyish etildi. Yaqinda (−201) yo'nalishli katta dumaloq monokristalli ommaviy materiallar ham mavjud bo'ldi. Bundan tashqari, β-Ga2O3 chekkasi bilan aniqlangan plyonkali oziqlantirish usuli o'tish metall elementlarining qo'shilishida ham yordam beradi, bu esa Ga2O3 ni tadqiq qilish va tayyorlashni mumkin qiladi.
3-rasm. Chetga qarab aniqlangan plyonkali oziqlantirish usuli bilan yetishtirilgan β-Ga2O3 monokristalli
1.3 Bridjman usuli
Bridjman usulida kristallar harorat gradiyenti orqali asta-sekin harakatlanadigan tigelda hosil bo'ladi. Jarayon gorizontal yoki vertikal yo'nalishda, odatda aylanadigan tigel yordamida amalga oshirilishi mumkin. Shuni ta'kidlash kerakki, bu usulda kristall urug'laridan foydalanishi yoki foydalanmasligi mumkin. An'anaviy Bridgman operatorlari erish va kristall o'sish jarayonlarini to'g'ridan-to'g'ri vizualizatsiya qilish imkoniyatiga ega emaslar va haroratni yuqori aniqlikda boshqarishlari kerak. Vertikal Bridgman usuli asosan β-Ga2O3 ning o'sishi uchun ishlatiladi va havo muhitida o'sish qobiliyati bilan mashhur. Vertikal Bridgman usulida o'sish jarayonida eritma va tigelning umumiy massa yo'qotilishi 1% dan past darajada saqlanadi, bu esa katta β-Ga2O3 monokristallarining minimal yo'qotish bilan o'sishini ta'minlaydi.
4-rasm. Bridgeman usuli bilan yetishtirilgan β-Ga2O3 monokristalli
1.4 Suzuvchi zona usuli
Suzuvchi zona usuli kristallning tigel materiallari bilan ifloslanishi muammosini hal qiladi va yuqori haroratga chidamli infraqizil tigellar bilan bog'liq yuqori xarajatlarni kamaytiradi. Ushbu o'sish jarayonida eritmani RF manbai emas, balki chiroq bilan qizdirish mumkin, bu esa o'sish uskunalariga qo'yiladigan talablarni soddalashtiradi. Suzuvchi zona usuli bilan yetishtirilgan β-Ga2O3 ning shakli va kristall sifati hali optimal bo'lmasa-da, bu usul yuqori tozalikdagi β-Ga2O3 ni byudjetga mos monokristallarga aylantirish uchun istiqbolli usulni ochadi.
5-rasm. Suzuvchi zona usuli bilan yetishtirilgan β-Ga2O3 monokristalli.
Nashr vaqti: 2024-yil 30-may