גאַליום אָקסייד איין קריסטאַל און עפּיטאַקסיאַל וווּקס טעכנאָלאָגיע

ברייטע באַנדגאַפּ (WBG) האַלב-קאָנדוקטאָרן רעפּרעזענטירט דורך סיליקאָן קאַרבייד (SiC) און גאַליום ניטריד (GaN) האָבן באַקומען ברייטע אויפֿמערקזאַמקייט. מענטשן האָבן הויכע ערוואַרטונגען פֿאַר די אַפּליקאַציע פּראַספּעקטן פֿון סיליקאָן קאַרבייד אין עלעקטרישע וועהיקלעס און מאַכט גרידס, ווי אויך די אַפּליקאַציע פּראַספּעקטן פֿון גאַליום ניטריד אין שנעל טשאַרדזשינג. אין די לעצטע יאָרן, האָט פֿאָרשונג אויף Ga2O3, AlN און דיאַמאָנט מאַטעריאַלן געמאַכט באַדייטנדיקע פֿאָרשריט, מאַכנדיג אולטראַ-ברייטע באַנדגאַפּ האַלב-קאָנדוקטאָר מאַטעריאַלן דעם פֿאָקוס פֿון אויפֿמערקזאַמקייט. צווישן זיי, גאַליום אָקסייד (Ga2O3) איז אַן אויפֿקומענדיק אולטראַ-ברייט-באַנדגאַפּ האַלב-קאָנדוקטאָר מאַטעריאַל מיט אַ באַנד גאַפּ פֿון 4.8 eV, אַ טעאָרעטישע קריטישע ברייקדאַון פֿעלד שטאַרקייט פֿון בערך 8 MV cm-1, אַ סאַטוראַציע גיכקייט פֿון בערך 2E7cm s-1, און אַ הויך באַליגאַ קוואַליטעט פֿאַקטאָר פֿון 3000, וואָס באַקומט ברייטע אויפֿמערקזאַמקייט אין דעם פֿעלד פֿון הויך וואָולטידזש און הויך פֿרעקווענץ מאַכט עלעקטראָניק.

1. גאליום אקסייד מאַטעריאַל קעראַקטעריסטיקס

Ga2O3 האט א גרויסע באנד גאפ (4.8 eV), מען ערווארטעט אז עס וועט דערגרייכן ביידע הויכע אויסהאלטונגס-וואלטידזש און הויכע מאכט מעגלעכקייטן, און קען האבן די פאטענציאל פאר הויכע וואלטידזש אדאפטאציע ביי א רעלאטיוו נידריגע קעגנשטעל, מאכנדיג זיי דער פאקוס פון היינטיגע פארשונג. דערצו, Ga2O3 האט נישט נאר אויסגעצייכנטע מאטעריאל אייגנשאפטן, נאר עס גיט אויך א פארשיידנקייט פון לייכט אדזשאַסטאַבאַל n-טיפּ דאָפּינג טעכנאָלאָגיעס, ווי אויך נידעריק-קאָסטן סאַבסטראַט וווּקס און עפּיטאַקסי טעכנאָלאָגיעס. ביז איצט, פינף פאַרשידענע קריסטאַל פאַסעס זענען דיסקאַווערד אין Ga2O3, אַרייַנגערעכנט קאָרונדום (α), מאָנאָקליניק (β), דעפעקטיוו ספּינעל (γ), קוביק (δ) און אָרטהאָראָמביק (ɛ) פאַסעס. טערמאָדינאַמישע סטאַביליטעטן זענען, אין סדר, γ, δ, α, ɛ, און β. עס איז ווערט צו באַמערקן אַז מאָנאָקליניק β-Ga2O3 איז די מערסט סטאַביל, ספּעציעל ביי הויכע טעמפּעראַטורן, בשעת אנדערע פאַסעס זענען מעטאַסטאַבאַל העכער צימער טעמפּעראַטור און טענד צו טראַנספאָרמירן אין די β פאַסע אונטער ספּעציפישע טערמאַל באדינגונגען. דעריבער, די אַנטוויקלונג פון β-Ga2O3-באַזירטע דעוויסעס איז געוואָרן אַ הויפּט פאָקוס אין דעם פעלד פון מאַכט עלעקטראָניק אין די לעצטע יאָרן.

טאַבעלע 1 פֿאַרגלייַך פֿון עטלעכע האַלב-קאָנדוקטאָר מאַטעריאַל פּאַראַמעטערס

די קריסטאַל סטרוקטור פון מאָנאָקליניש β-Ga2O3 ווערט געוויזן אין טאַבעלע 1. אירע גיטער פּאַראַמעטערס אַרייַננעמען a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, און β = 103.8°. די איינהייט צעל באַשטייט פון Ga(I) אַטאָמען מיט טוויסטעד טעטראַהעדראַל קאָאָרדינאַציע און Ga(II) אַטאָמען מיט אָקטאַהעדראַל קאָאָרדינאַציע. עס זענען דריי פאַרשידענע אַראַנזשירונגען פון זויערשטאָף אַטאָמען אין די "טוויסטעד קוביק" אַרעי, אַרייַנגערעכנט צוויי טרייאַנגגאַלי קאָאָרדינירט O(I) און O(II) אַטאָמען און איין טעטראַהעדראַלי קאָאָרדינירט O(III) אַטאָם. די קאָמבינאַציע פון ​​די צוויי טייפּס פון אַטאָמישער קאָאָרדינאַציע פירט צו דער אַניזאָטראָפּיע פון ​​β-Ga2O3 מיט ספּעציעלע אייגנשאַפטן אין פיזיק, כעמישע קעראָוזשאַן, אָפּטיק און עלעקטראָניק.

פיגור 1 סכעמאטישע סטרוקטורעלע דיאַגראַמע פון ​​מאָנאָקליניש β-Ga2O3 קריסטאַל

פֿון דער פּערספּעקטיוו פֿון ענערגיע באַנד טעאָריע, ווערט דער מינימום ווערט פֿון דער קאַנדאַקשאַן באַנד פֿון β-Ga2O3 אָפּגעפֿירט פֿון דער ענערגיע צושטאַנד וואָס קאָרעספּאָנדירט צו דער 4s0 כייבריד אָרביט פֿון דעם Ga אַטאָם. דער ענערגיע אונטערשייד צווישן דעם מינימום ווערט פֿון דער קאַנדאַקשאַן באַנד און דעם וואַקוום ענערגיע לעוועל (עלעקטראָן אַפֿיניטעט ענערגיע) ווערט געמאָסטן. איז 4 eV. די עפֿעקטיווע עלעקטראָן מאַסע פֿון β-Ga2O3 ווערט געמאָסטן ווי 0.28–0.33 me און איר גינסטיגע עלעקטראָנישע קאַנדאַקטיוויטי. אָבער, דער וואַלענס באַנד מאַקסימום ווײַזט אַ פּליטקע Ek קורווע מיט זייער נידעריקע קרומונג און שטאַרק לאָקאַליזירטע O2p אָרביטאַלן, וואָס סאַגדזשעסטירט אַז די לעכער זענען טיף לאָקאַליזירט. די קעראַקטעריסטיקס שטעלן אַ ריזיקע אַרויסרוף צו דערגרייכן p-טיפּ דאָפּינג אין β-Ga2O3. אפילו אויב P-טיפּ דאָפּינג קען דערגרייכט ווערן, בלייבט דער לאָך μ אויף אַ זייער נידעריקן לעוועל. 2. וואוקס פון גרויסן גאליום אקסייד איינציקן קריסטאל ביז איצט, די וואוקס מעטאד פון β-Ga2O3 גרויסן איינציקן קריסטאל סאַבסטראַט איז דער עיקר קריסטאַל ציען מעטאָד, אַזאַ ווי Czochralski (CZ), עדזש-דעפינירט דין פילם פידינג מעטאָד (Edge-Defined film-fed, EFG), ברידזשמאַן (רטיקאַל אָדער האָריזאָנטאַל ברידזשמאַן, HB אָדער VB) און פלאָוטינג זאָנע (פלאָוטינג זאָנע, FZ) טעכנאָלאָגיע. צווישן אַלע מעטאָדן, Czochralski און עדזש-דעפינירט דין-פילם פידינג מעטאָדן ווערן ערוואַרטעט צו זיין די מערסט פּראַמאַסינג וועגן פֿאַר מאַסע פּראָדוקציע פון ​​β-Ga 2O3 וועיפערס אין דער צוקונפֿט, ווייַל זיי קענען סיימאַלטייניאַסלי דערגרייכן גרויס וואַליומז און נידעריק דעפעקט געדיכטקייטן. ביז איצט, יאַפּאַן'ס נאָוועל קריסטאַל טעכנאָלאָגיע האט איינגעזען אַ קאמערציעלע מאַטריץ פֿאַר צעשמעלץ וואוקס β-Ga2O3.

1.1 טשאכראַלסקי מעטאָדע

דער פּרינציפּ פֿון דער טשאָקראַלסקי מעטאָדע איז אַז מען באַדעקט ערשט די זוימען-שיכט, און דערנאָך ווערט דער איינציקער קריסטאַל לאַנגזאַם אַרויסגעצויגן פֿון דער צעשמעלצטער אַטמאָספֿערע. די טשאָקראַלסקי מעטאָדע ווערט אַלץ וויכטיקער פֿאַר β-Ga2O3 צוליב איר קאָסטן-עפֿעקטיווקייט, גרויסע גרייס מעגלעכקייטן, און הויך קריסטאַל קוואַליטעט סאַבסטראַט וואוקס. אָבער, צוליב טערמישן דרוק בעת דעם הויך-טעמפּעראַטור וואוקס פֿון Ga2O3, וועט פּאַסירן פֿאַרדאַמפּונג פֿון איינציקע קריסטאַלן, צעשמעלצטע מאַטעריאַלן, און שאָדן צום Ir קרוציבל. דאָס איז אַ רעזולטאַט פֿון דער שוועריקייט אין דערגרייכן נידעריק n-טיפּ דאָפּינג אין Ga2O3. אײַנפֿירן אַן אַפּראָפּריאַטע מאָס זויערשטאָף אין דער וואוקס אַטמאָספֿערע איז איין וועג צו סאָלווען דעם פּראָבלעם. דורך אָפּטימיזאַציע, איז הויך-קוואַליטעט 2-אינטש β-Ga2O3 מיט אַ פֿרײַער עלעקטראָן קאָנצענטראַציע קייט פֿון 10^16~10^19 cm-3 און אַ מאַקסימום עלעקטראָן געדיכטקייט פֿון 160 cm2/Vs געוואַקסן געוואָרן מיט דער טשאָקראַלסקי מעטאָדע.

פיגור 2 איינציקער קריסטאל פון β-Ga2O3 געוואקסן דורך טשאכראַלסקי מעטאד

1.2 ברעג-דעפינירט פילם פידינג מעטאד

די ברעג-דעפינירטע דין-פילם פידינג מעטאָדע ווערט באַטראַכט ווי דער פירנדיקער קאָנקורענט פֿאַר דער קאמערציעלער פּראָדוקציע פֿון גרויס-שטח Ga2O3 איין-קריסטאַל מאַטעריאַלן. דער פּרינציפּ פֿון דעם מעטאָדע איז צו שטעלן די צעשמעלץ אין אַ פֿאָרעם מיט אַ קאַפּילאַר שפּאַלט, און די צעשמעלץ שטייגט אַרויף צו דער פֿאָרעם דורך קאַפּילאַר אַקציע. אין דער שפּיץ, אַ דין פילם פֿאָרמירט זיך און פֿאַרשפּרייט זיך אין אַלע ריכטונגען בשעת עס ווערט אינדוצירט צו קריסטאַליזירן דורך דעם זוימען קריסטאַל. דערצו, די ברעגן פֿון דער פֿאָרעם שפּיץ קענען קאָנטראָלירט ווערן צו פּראָדוצירן קריסטאַלן אין פֿלעקן, רערן, אָדער יעדער געוואונטשענער געאָמעטריע. די ברעג-דעפינירטע דין-פילם פידינג מעטאָדע פֿון Ga2O3 גיט שנעלע וואוקס ראַטעס און גרויסע דיאַמעטערס. פֿיגור 3 ווייזט אַ דיאַגראַם פֿון אַ β-Ga2O3 איין קריסטאַל. אין דערצו, אין טערמינען פֿון גרייס וואָג, 2-אינטש און 4-אינטש β-Ga2O3 סאַבסטראַטן מיט ויסגעצייכנט טראַנספּעראַנסי און יונאַפאָרמאַטי זענען קאמערציאַליזירט געוואָרן, בשעת די 6-אינטש סאַבסטראַט איז דעמאַנסטרירט אין פאָרשונג פֿאַר צוקונפֿט קאמערציאַליזאַציע. לעצטנס, גרויסע קייַלעכדיק איין-קריסטאַל מאַסע מאַטעריאַלן זענען אויך געוואָרן בנימצא מיט (−201) אָריענטאַציע. דערצו, די β-Ga2O3 ברעג-דעפינירטע פילם פידינג מעטאד פראמאטירט אויך די דאפינג פון טראַנזישאַן מעטאַל עלעמענטן, מאכנדיג די פאָרשונג און צוגרייטונג פון Ga2O3 מעגלעך.

פיגור 3 β-Ga2O3 איינציקער קריסטאל געוואקסן דורך ברעג-דעפינירט פילם פידינג מעטאד

1.3 ברידזשמאַן מעטאָדע

אין דער ברידזשמאַן מעטאָדע, ווערן קריסטאַלן געפֿאָרעמט אין אַ טיגל וואָס ווערט ביסלעכווייַז באַוועגט דורך אַ טעמפּעראַטור גראַדיענט. דער פּראָצעס קען דורכגעפֿירט ווערן אין אַ האָריזאָנטאַלער אָדער ווערטיקאַלער אָריענטאַציע, געוויינטלעך ניצנדיק אַ ראָטירנדיקן טיגל. עס איז ווערט צו באַמערקן אַז דער אופֿן קען אָדער קען נישט נוצן קריסטאַל זאמען. טראַדיציאָנעלע ברידזשמאַן אָפּעראַטאָרן פעלן דירעקטע וויזואַליזאַציע פון ​​די צעשמעלץ און קריסטאַל וווּקס פּראָצעסן און מוזן קאָנטראָלירן טעמפּעראַטורן מיט הויך פּינטלעכקייט. די ווערטיקאַלע ברידזשמאַן מעטאָדע ווערט דער הויפּט גענוצט פֿאַר דעם וווּקס פון β-Ga2O3 און איז באַקאַנט פֿאַר זיין פיייקייט צו וואַקסן אין אַ לופֿט סביבה. בעת דעם ווערטיקאַלן ברידזשמאַן מעטאָדע וווּקס פּראָצעס, ווערט דער גאַנצער מאַסע אָנווער פון דער צעשמעלץ און טיגל געהאַלטן אונטער 1%, וואָס ערמעגליכט דעם וווּקס פון גרויסע β-Ga2O3 איין קריסטאַלן מיט מינימאַלן אָנווער.

פיגור 4 איין קריסטאל פון β-Ga2O3 געוואקסן דורך ברידזשמאן מעטאד

1.4 פלאָוטינג זאָנע מעטאָד

די פלאָוטינג זאָנע מעטאָדע לייזט דאָס פּראָבלעם פֿון קריסטאַל קאָנטאַמינאַציע דורך קרוציבל מאַטעריאַלן און רעדוצירט די הויכע קאָסטן פֿאַרבונדן מיט הויך טעמפּעראַטור קעגנשטעליקע אינפֿראַרעד קרוציבלן. בעת דעם וואוקס פּראָצעס, קען די צעשמעלץ ווערן געהייצט דורך אַ לאָמפּ אַנשטאָט אַן RF מקור, אַזוי פֿאַרפּשוטערנדיק די באדערפענישן פֿאַר וואוקס ויסריכט. כאָטש די פֿאָרעם און קריסטאַל קוואַליטעט פֿון β-Ga2O3 וואָס וואַקסט דורך די פלאָוטינג זאָנע מעטאָדע זענען נאָך נישט אָפּטימאַל, עפֿנט די מעטאָדע אַ פֿאַרשפּרעכנדיקע מעטאָדע פֿאַר וואַקסן הויך-ריינקייט β-Ga2O3 אין בודזשעט-פֿרײַנדלעכע איין קריסטאַלן.

פיגור 5 β-Ga2O3 איינציקער קריסטאל געוואקסן דורך די פלאָוטינג זאָנע מעטאָד.