Silikon karbid (SiC) və qallium nitridi (GaN) ilə təmsil olunan geniş diapazonlu (WBG) yarımkeçiricilərə geniş diqqət yetirilmişdir. İnsanlar silisium karbidinin elektrik avtomobillərində və elektrik şəbəkələrində tətbiqi perspektivləri, eləcə də sürətli şarjda qallium nitridin tətbiqi perspektivləri ilə bağlı yüksək gözləntilərə sahibdirlər. Son illərdə Ga2O3, AlN və almaz materialları üzərində aparılan tədqiqatlar əhəmiyyətli irəliləyiş əldə edərək, ultra geniş diapazonlu yarımkeçirici materialları diqqət mərkəzində saxlamışdır. Onların arasında qallium oksidi (Ga2O3) 4,8 eV zolaq boşluğuna, nəzəri cəhətdən kritik qırılma sahəsinin gücünə təxminən 8 MV sm-1, doyma sürəti təxminən 2E7 sm s-1 olan, inkişaf etməkdə olan ultra geniş diapazonlu yarımkeçirici materialdır. və yüksək gərginlik sahəsində geniş diqqəti cəlb edən 3000 yüksək Baliga keyfiyyət faktoru və yüksək tezlikli elektrik elektronikası.
1. Qallium oksidinin materialının xüsusiyyətləri
Ga2O3 böyük diapazon boşluğuna (4,8 eV) malikdir, həm yüksək dayanıqlı gərginliyə, həm də yüksək güc imkanlarına nail olacağı gözlənilir və nisbətən aşağı müqavimətdə yüksək gərginliyə uyğunlaşma potensialına malik ola bilər ki, bu da onları cari tədqiqatın mərkəzinə çevirir. Bundan əlavə, Ga2O3 yalnız əla material xüsusiyyətlərinə malik deyil, həm də asanlıqla tənzimlənən müxtəlif n-tipli dopinq texnologiyalarını, eləcə də aşağı qiymətli substrat artımı və epitaksiya texnologiyalarını təmin edir. İndiyə qədər Ga2O3-də korund (α), monoklinik (β), qüsurlu spinel (γ), kub (δ) və ortorombik (ɛ) fazaları da daxil olmaqla beş fərqli kristal faza aşkar edilmişdir. Termodinamik sabitliklər sıra ilə γ, δ, α, ɛ və β olur. Qeyd etmək lazımdır ki, monoklinik β-Ga2O3 xüsusilə yüksək temperaturda ən stabildir, digər fazalar isə otaq temperaturundan yuxarı metastabildir və xüsusi istilik şəraitində β fazaya çevrilməyə meyllidir. Buna görə də, β-Ga2O3 əsaslı cihazların inkişafı son illərdə güc elektronikası sahəsində əsas diqqət mərkəzində olmuşdur.
Cədvəl 1 Bəzi yarımkeçirici material parametrlərinin müqayisəsi
Monoklinikβ-Ga2O3-in kristal quruluşu Cədvəl 1-də göstərilmişdir. Onun qəfəs parametrlərinə a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å və β = 103.8° daxildir. Vahid hüceyrə bükülmüş tetraedral koordinasiyalı Ga(I) atomlarından və oktaedral koordinasiyalı Ga(II) atomlarından ibarətdir. İki üçbucaqlı koordinasiyalı O(I) və O(II) atomu və bir tetraedral koordinasiyalı O(III) atomu da daxil olmaqla, “bükülmüş kub” massivində oksigen atomlarının üç müxtəlif düzülüşü var. Bu iki növ atom koordinasiyasının birləşməsi fizikada, kimyəvi korroziyada, optikada və elektronikada xüsusi xüsusiyyətlərə malik β-Ga2O3 anizotropiyasına gətirib çıxarır.
Şəkil 1 Monoklinik β-Ga2O3 kristalının sxematik struktur diaqramı
Enerji zolağı nəzəriyyəsi baxımından β-Ga2O3-ün keçiricilik zolağının minimum qiyməti Ga atomunun 4s0 hibrid orbitinə uyğun gələn enerji vəziyyətindən alınır. Keçirici zolağın minimum dəyəri ilə vakuum enerji səviyyəsi (elektron yaxınlıq enerjisi) arasındakı enerji fərqi ölçülür. 4 eV-dir. β-Ga2O3-ün effektiv elektron kütləsi 0,28-0,33 me və əlverişli elektron keçiriciliyi ilə ölçülür. Bununla belə, maksimum valentlik zolağı çox aşağı əyrilik və güclü lokallaşdırılmış O2p orbitalları ilə dayaz Ek əyrisi nümayiş etdirir ki, bu da dəliklərin dərin lokallaşdırılmış olduğunu göstərir. Bu xüsusiyyətlər β-Ga2O3-də p-tipli dopinqə nail olmaq üçün böyük problem yaradır. P-tipli dopinqə nail olmaq mümkün olsa belə, μ dəliyi çox aşağı səviyyədə qalır. 2. Kütləvi qallium oksidi monokristalının böyüməsi İndiyə qədər β-Ga2O3 toplu monokristal substratının böyümə üsulu əsasən Czochralski (CZ) kimi kristal çəkmə üsuludur, kənardan müəyyən edilmiş nazik təbəqə qidalanma üsulu (Edge -Defined film-fed) , EFG), Bridgman (rtical və ya horizontal Bridgman, HB və ya VB) və üzən zona (üzən zona, FZ) texnologiyası. Bütün üsullar arasında Czochralski və kənarları ilə müəyyən edilmiş nazik təbəqə ilə qidalanma üsullarının gələcəkdə β-Ga 2O3 vaflilərinin kütləvi istehsalı üçün ən perspektivli yollar olacağı gözlənilir, çünki onlar eyni zamanda böyük həcmlərə və aşağı qüsur sıxlığına nail ola bilərlər. İndiyədək Yaponiyanın Novel Crystal Technology şirkəti ərimə artımı β-Ga2O3 üçün kommersiya matrisini həyata keçirmişdir.
1.1 Çoxralski metodu
Çoxralski metodunun prinsipi ondan ibarətdir ki, əvvəlcə toxum təbəqəsi örtülür, sonra isə monokristal yavaş-yavaş ərimədən çıxarılır. Czochralski metodu β-Ga2O3 üçün iqtisadi səmərəliliyi, böyük ölçü imkanları və yüksək kristal keyfiyyətli substratın böyüməsi səbəbindən getdikcə daha çox əhəmiyyət kəsb edir. Bununla belə, Ga2O3-ün yüksək temperaturda böyüməsi zamanı istilik gərginliyi səbəbindən monokristalların, ərimə materiallarının buxarlanması və Ir tigesinin zədələnməsi baş verəcəkdir. Bu, Ga2O3-də aşağı n-tipli dopinqə nail olmaqda çətinliklərin nəticəsidir. Böyümə atmosferinə müvafiq miqdarda oksigen daxil etmək bu problemi həll etməyin bir yoludur. Optimallaşdırma vasitəsilə sərbəst elektron konsentrasiyası diapazonu 10^16~10^19 sm-3 və maksimum elektron sıxlığı 160 sm2/Vs olan yüksək keyfiyyətli 2 düymlük β-Ga2O3 Czochralski üsulu ilə uğurla yetişdirildi.
Şəkil 2 Czochralski üsulu ilə yetişdirilmiş β-Ga2O3 monokristalı
1.2 Kənarla müəyyən edilmiş filmin qidalanma üsulu
Kənardan müəyyən edilmiş nazik təbəqə ilə qidalanma üsulu geniş sahəli Ga2O3 monokristal materiallarının kommersiya istehsalı üçün aparıcı iddiaçı hesab olunur. Bu metodun prinsipi ərintiləri kapilyar yarığı olan qəlibə yerləşdirməkdir və ərinti kapilyar təsir vasitəsilə qəlibə qalxır. Üst hissədə nazik bir film əmələ gəlir və toxum kristalının kristallaşmasına səbəb olarkən bütün istiqamətlərə yayılır. Bundan əlavə, qəlibin üst hissəsinin kənarları lopa, boru və ya istənilən həndəsə şəklində kristallar yaratmaq üçün idarə oluna bilər. Ga2O3-ün kənardan müəyyən edilmiş nazik film qidalanma üsulu sürətli böyümə sürətini və böyük diametrləri təmin edir. Şəkil 3-də β-Ga2O3 monokristalının diaqramı göstərilir. Bundan əlavə, ölçü miqyası baxımından əla şəffaflıq və vahidliyə malik 2 düym və 4 düymlük β-Ga2O3 substratları kommersiyalaşdırılıb, 6 düymlük substrat isə gələcək kommersiyalaşdırma üçün tədqiqatlarda nümayiş etdirilib. Bu yaxınlarda, (−201) oriyentasiya ilə böyük dairəvi tək kristal toplu materiallar da mövcud olmuşdur. Bundan əlavə, β-Ga2O3 kənarı ilə müəyyən edilmiş film qidalanma üsulu, həmçinin Ga2O3-ün tədqiqi və hazırlanmasını mümkün etməklə, keçid metal elementlərinin dopinqlənməsini təşviq edir.
Şəkil 3 β-Ga2O3 monokristal kənardan müəyyən edilmiş film qidalanma üsulu ilə yetişdirilir
1.3 Bridgeman metodu
Bridgeman metodunda kristallar tədricən temperatur qradiyenti ilə hərəkət edən bir potada əmələ gəlir. Proses üfüqi və ya şaquli oriyentasiyada həyata keçirilə bilər, adətən fırlanan tige istifadə olunur. Qeyd etmək lazımdır ki, bu üsul kristal toxumları istifadə edə bilər və ya istifadə etməyə bilər. Ənənəvi Bridgman operatorları ərimə və kristalların böyüməsi proseslərinin birbaşa vizuallaşdırılmasına malik deyillər və temperaturları yüksək dəqiqliklə idarə etməlidirlər. Şaquli Bridgman metodu əsasən β-Ga2O3-in böyüməsi üçün istifadə olunur və hava mühitində böyümək qabiliyyəti ilə tanınır. Şaquli Bridgman metodu ilə böyümə prosesi zamanı ərimə və tigenin ümumi kütlə itkisi 1%-dən aşağı saxlanılır və bu, böyük β-Ga2O3 monokristallarının minimal itki ilə böyüməsinə imkan verir.
Şəkil 4 Bridgeman üsulu ilə yetişdirilmiş β-Ga2O3 monokristal
1.4 Üzən zona üsulu
Üzən zona metodu tige materialları ilə kristalların çirklənməsi problemini həll edir və yüksək temperatura davamlı infraqırmızı tigelərlə bağlı yüksək xərcləri azaldır. Bu böyümə prosesi zamanı ərimə RF mənbəyi ilə deyil, lampa ilə qızdırıla bilər, beləliklə böyümə avadanlığı üçün tələbləri sadələşdirir. Üzən zona üsulu ilə yetişdirilən β-Ga2O3-ün forması və kristal keyfiyyəti hələ optimal olmasa da, bu üsul yüksək təmizlikli β-Ga2O3-ün büdcəyə uyğun monokristallara yetişdirilməsi üçün perspektivli üsul açır.
Şəkil 5 üzən zona üsulu ilə yetişdirilmiş β-Ga2O3 monokristal.
Göndərmə vaxtı: 30 may 2024-cü il