أكسيد الغاليوم أحادي البلورة وتكنولوجيا النمو الفوقي

حظيت أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة العريضة (WBG) الممثلة بكربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN) باهتمام واسع النطاق. لدى الناس توقعات كبيرة بشأن آفاق تطبيق كربيد السيليكون في السيارات الكهربائية وشبكات الطاقة، بالإضافة إلى آفاق تطبيق نيتريد الغاليوم في الشحن السريع. في السنوات الأخيرة، أحرزت الأبحاث حول مواد Ga2O3 وAlN والماس تقدمًا كبيرًا، مما جعل مواد أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة جدًا محط اهتمام. من بينها، أكسيد الغاليوم (Ga2O3) هو مادة شبه موصلة ناشئة ذات فجوة نطاق واسعة جدًا مع فجوة نطاق تبلغ 4.8 فولت، وقوة مجال انهيار حرج نظري تبلغ حوالي 8 ميجا فولت سم-1، وسرعة تشبع تبلغ حوالي 2E7 سم ث-1، وعامل جودة باليجا العالي يبلغ 3000، ويحظى باهتمام واسع النطاق في مجال إلكترونيات الطاقة ذات الجهد العالي والتردد العالي.

1. خصائص مادة أكسيد الغاليوم
يحتوي Ga2O3 على فجوة نطاق كبيرة (4.8 فولت)، ومن المتوقع أن يحقق كلاً من جهد التحمل العالي وقدرات الطاقة العالية، ويمكن أن يكون لديه القدرة على التكيف مع الجهد العالي عند مقاومة منخفضة نسبيًا، مما يجعلها محور البحث الحالي. بالإضافة إلى ذلك، لا يتمتع Ga2O3 بخصائص مادية ممتازة فحسب، بل يوفر أيضًا مجموعة متنوعة من تقنيات المنشطات من النوع n القابلة للتعديل بسهولة، بالإضافة إلى نمو الركيزة وتقنيات النفوق منخفضة التكلفة. حتى الآن، تم اكتشاف خمس مراحل بلورية مختلفة في Ga2O3، بما في ذلك مراحل اكسيد الالمونيوم (α)، وأحادية الميل (β)، والإسبنيل المعيب (γ)، والمكعب (δ)، والمراحل المعينية التقويمية (ɛ). الاستقرار الديناميكي الحراري هو بالترتيب γ و δ و α و ɛ و β. تجدر الإشارة إلى أن β-Ga2O3 أحادي الميل هو الأكثر استقرارًا، خاصة عند درجات الحرارة المرتفعة، بينما تكون الأطوار الأخرى شبه مستقرة فوق درجة حرارة الغرفة وتميل إلى التحول إلى الطور β تحت ظروف حرارية محددة. لذلك، أصبح تطوير الأجهزة المعتمدة على β-Ga2O3 محورًا رئيسيًا في مجال إلكترونيات الطاقة في السنوات الأخيرة.

الجدول 1: مقارنة بعض معلمات مادة أشباه الموصلات

يظهر التركيب البلوري لـ monoclinicβ-Ga2O3 في الجدول 1. تتضمن معلمات الشبكة الخاصة به = 12.21 Å، وb = 3.04 Å، وc = 5.8 Å، وβ = 103.8°. تتكون خلية الوحدة من ذرات Ga(I) بتنسيق رباعي السطوح الملتوية وذرات Ga(II) بتنسيق ثماني السطوح. هناك ثلاثة ترتيبات مختلفة لذرات الأكسجين في المصفوفة "المكعب الملتوي"، بما في ذلك ذرتان O(I) وO(II) منسقتان بشكل مثلث وذرة واحدة منسقة رباعي السطوح O(III). يؤدي الجمع بين هذين النوعين من التنسيق الذري إلى تباين β-Ga2O3 مع خصائص خاصة في الفيزياء والتآكل الكيميائي والبصريات والإلكترونيات.

الشكل 1: رسم تخطيطي هيكلي لبلورة β-Ga2O3 أحادية الميل

من منظور نظرية نطاق الطاقة، فإن القيمة الدنيا لنطاق التوصيل لـ β-Ga2O3 مشتقة من حالة الطاقة المقابلة للمدار الهجين 4s0 لذرة Ga. يتم قياس فرق الطاقة بين القيمة الدنيا لنطاق التوصيل ومستوى طاقة الفراغ (طاقة تقارب الإلكترون). هو 4 فولت. يتم قياس كتلة الإلكترون الفعالة لـ β-Ga2O3 بـ 0.28-0.33 ميكرومتر وموصليتها الإلكترونية المفضلة. ومع ذلك، يُظهر الحد الأقصى لنطاق التكافؤ منحنى Ek ضحلًا مع انحناء منخفض جدًا ومدارات O2p موضعية بقوة، مما يشير إلى أن الثقوب موضعية بعمق. تشكل هذه الخصائص تحديًا كبيرًا لتحقيق المنشطات من النوع p في β-Ga2O3. حتى لو كان من الممكن تحقيق المنشطات من النوع P، فإن الثقب μ يظل عند مستوى منخفض جدًا. 2. نمو البلورة المفردة لأكسيد الغاليوم السائب حتى الآن، طريقة نمو الركيزة البلورية المفردة السائبة β-Ga2O3 هي بشكل أساسي طريقة سحب بلورية، مثل Czochralski (CZ)، طريقة تغذية الأغشية الرقيقة المحددة بالحافة (التغذية بالأغشية الرقيقة المحددة بالحافة). ، EFG)، تقنية بريدجمان (بريدجمان عمودي أو أفقي، HB أو VB) والمنطقة العائمة (المنطقة العائمة، FZ). من بين جميع الطرق، من المتوقع أن تكون طرق تغذية الأغشية الرقيقة المحددة بواسطة Czochralski وطرق تغذية الأغشية الرقيقة هي أكثر الطرق الواعدة للإنتاج الضخم لرقائق β-Ga 2O3 في المستقبل، حيث يمكنها في نفس الوقت تحقيق كميات كبيرة وكثافة عيوب منخفضة. حتى الآن، حققت تقنية Novel Crystal Technology اليابانية مصفوفة تجارية لنمو الذوبان β-Ga2O3.

2.1 طريقة تشوخرالسكي
مبدأ طريقة Czochralski هو أن طبقة البذور يتم تغطيتها أولاً، ثم يتم سحب البلورة المفردة ببطء من الذوبان. تكتسب طريقة Czochralski أهمية متزايدة بالنسبة لـ β-Ga2O3 نظرًا لفعاليتها من حيث التكلفة وإمكانيات الحجم الكبير ونمو الركيزة عالي الجودة. ومع ذلك، بسبب الإجهاد الحراري أثناء نمو درجة الحرارة العالية لـ Ga2O3، سيحدث تبخر البلورات المفردة والمواد المنصهرة وتلف بوتقة الأشعة تحت الحمراء. وهذا نتيجة لصعوبة تحقيق مستوى منخفض من المنشطات من النوع n في Ga2O3. يعد إدخال كمية مناسبة من الأكسجين إلى جو النمو إحدى طرق حل هذه المشكلة. من خلال التحسين، تم بنجاح تطوير β-Ga2O3 عالي الجودة مقاس 2 بوصة مع نطاق تركيز إلكترون حر يتراوح بين 10^16~10^19 سم-3 وكثافة إلكترون قصوى تبلغ 160 سم2/فولت بواسطة طريقة تشوتشرالسكي.

الشكل 2: بلورة واحدة من β-Ga2O3 نمت بطريقة Czochralski

2.2 طريقة تغذية الفيلم المحددة الحافة
تعتبر طريقة تغذية الأغشية الرقيقة المحددة الحافة هي المنافس الرئيسي للإنتاج التجاري للمواد البلورية المفردة Ga2O3 ذات المساحة الكبيرة. مبدأ هذه الطريقة هو وضع المصهور في قالب ذو شق شعري، ويرتفع المصهور إلى القالب من خلال الحركة الشعرية. في الأعلى، يتشكل غشاء رقيق وينتشر في كل الاتجاهات بينما يتم حثه على التبلور بواسطة بلورة البذور. بالإضافة إلى ذلك، يمكن التحكم في حواف الجزء العلوي من القالب لإنتاج بلورات في شكل رقائق، أو أنابيب، أو أي شكل هندسي مرغوب. توفر طريقة تغذية الأغشية الرقيقة المحددة الحافة لـ Ga2O3 معدلات نمو سريعة وأقطار كبيرة. يوضح الشكل 3 رسمًا تخطيطيًا لبلورة مفردة β-Ga2O3. بالإضافة إلى ذلك، من حيث الحجم، تم تسويق ركائز β-Ga2O3 مقاس 2 بوصة و4 بوصات ذات شفافية وتوحيد ممتازين، في حين تم عرض الركيزة مقاس 6 بوصات في الأبحاث للتسويق التجاري في المستقبل. في الآونة الأخيرة، أصبحت المواد السائبة الدائرية الكبيرة أحادية البلورة متاحة أيضًا باتجاه (−201). بالإضافة إلى ذلك، تعمل طريقة تغذية الغشاء المحدد الحافة β-Ga2O3 أيضًا على تعزيز تطعيم العناصر المعدنية الانتقالية، مما يجعل البحث عن Ga2O3 وتحضيره أمرًا ممكنًا.

الشكل 3: بلورة مفردة β-Ga2O3 تمت زراعتها بواسطة طريقة تغذية الفيلم المحددة الحافة

2.3 طريقة بريدجمان
في طريقة بريدجمان، تتشكل البلورات في بوتقة يتم تحريكها تدريجيًا عبر تدرج في درجة الحرارة. يمكن إجراء العملية في اتجاه أفقي أو رأسي، وعادةً ما يتم ذلك باستخدام بوتقة دوارة. تجدر الإشارة إلى أن هذه الطريقة قد تستخدم أو لا تستخدم البذور البلورية. يفتقر مشغلو بريدجمان التقليديون إلى التصور المباشر لعمليات الذوبان ونمو البلورات ويجب عليهم التحكم في درجات الحرارة بدقة عالية. تُستخدم طريقة بريدجمان العمودية بشكل أساسي لنمو β-Ga2O3 وهي معروفة بقدرتها على النمو في بيئة هوائية. أثناء عملية النمو الرأسي بطريقة بريدجمان، يتم الحفاظ على إجمالي فقدان الكتلة للمصهور والبوتقة أقل من 1%، مما يتيح نمو بلورات مفردة كبيرة β-Ga2O3 بأقل خسارة.

الشكل 4: بلورة واحدة من β-Ga2O3 نمت بطريقة بريدجمان

2.4 طريقة المنطقة العائمة
تحل طريقة المنطقة العائمة مشكلة التلوث البلوري بواسطة المواد البوتقة وتقلل من التكاليف المرتفعة المرتبطة ببوتقات الأشعة تحت الحمراء المقاومة لدرجات الحرارة العالية. خلال عملية النمو هذه، يمكن تسخين المادة المصهورة بواسطة مصباح بدلاً من مصدر الترددات اللاسلكية، وبالتالي تبسيط متطلبات معدات النمو. على الرغم من أن الشكل والجودة البلورية لـ β-Ga2O3 المزروعة بطريقة المنطقة العائمة ليست مثالية بعد، إلا أن هذه الطريقة تفتح طريقة واعدة لتنمية β-Ga2O3 عالية النقاء إلى بلورات مفردة صديقة للميزانية.

الشكل 5: بلورة واحدة β-Ga2O3 نمت بطريقة المنطقة العائمة.