Criostal singilte Gallium oxide agus teicneòlas fàs epitaxial

Tha semiconductors bandgap farsaing (WBG) air an riochdachadh le silicon carbide (SiC) agus gallium nitride (GaN) air aire fharsaing fhaighinn. Tha sùileachadh àrd aig daoine airson na tha san amharc airson silicon carbide ann an carbadan dealain agus cliathan cumhachd, a bharrachd air na tha san amharc airson gallium nitride ann an cosgais luath. Anns na beagan bhliadhnaichean a dh ’fhalbh, tha rannsachadh air stuthan Ga2O3, AlN agus daoimean air adhartas mòr a dhèanamh, a’ toirt aire do stuthan semiconductor bandgap ultra-leathann. Nam measg, tha gallium oxide (Ga2O3) na stuth semiconductor bann-leathann ultra-leathann a tha a’ tighinn am bàrr le beàrn còmhlan de 4.8 eV, neart raon briseadh sìos breithneachail teòiridheach de mu 8 MV cm-1, astar sùghaidh timcheall air 2E7cm s-1, agus factar càileachd àrd Baliga de 3000, a’ faighinn aire fharsaing ann an raon electronics cumhachd bholtachd àrd agus tricead àrd.

1. Feartan stuth Gallium oxide

Tha beàrn còmhlan mòr aig Ga2O3 (4.8 eV), thathar an dùil gun coilean e an dà chuid àrd-sheasamh bholtaids agus comasan cumhachd àrd, agus faodaidh comas a bhith aige air atharrachadh bholtachd àrd aig ìre ìosal an aghaidh, gan dèanamh mar fhòcas an rannsachaidh làithreach. A bharrachd air an sin, chan e a-mhàin gu bheil feartan stuthan sàr-mhath aig Ga2O3, ach tha e cuideachd a’ toirt seachad grunn theicneòlasan dopaidh seòrsa n a tha furasta atharrachadh, a bharrachd air fàs substrate cosgais ìosal agus teicneòlasan epitaxy. Gu ruige seo, chaidh còig ìrean criostail eadar-dhealaichte a lorg ann an Ga2O3, a 'gabhail a-steach ìrean corundum (α), monoclinic (β), spinel lochtach (γ), ciùbach (δ) agus ìrean orthorhombic (ɛ). Is e seasmhachd teirmodynamic, ann an òrdugh, γ, δ, α, ɛ, agus β. Is fhiach a bhith mothachail gur e monoclinic β-Ga2O3 an fheadhainn as seasmhaiche, gu sònraichte aig teòthachd àrd, fhad ‘s a tha ìrean eile meata os cionn teòthachd an t-seòmair agus buailteach atharrachadh gu ìre β fo chumhachan teirmeach sònraichte. Mar sin, tha leasachadh innealan stèidhichte air β-Ga2O3 air a thighinn gu bhith na phrìomh amas ann an raon electronics cumhachd anns na bliadhnachan mu dheireadh.

Clàr 1 Coimeas cuid de pharamadairean stuthan semiconductor

Tha structar criostal monoclinicβ-Ga2O3 air a shealltainn ann an Clàr 1. Tha na paramadairean lùbach a' gabhail a-steach a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, agus β = 103.8 °. Tha cealla an aonaid air a dhèanamh suas de dadaman Ga(I) le co-òrdanachadh tetrahedral toinnte agus dadaman Ga(II) le co-òrdanachadh octahedral. Tha trì rèiteachaidhean eadar-dhealaichte de atoman ocsaidean anns an raon “ciùbach toinnte”, a’ toirt a-steach dà atom O(I) agus O(II) le co-òrdanachadh triantanach agus aon atom O(III) a tha air a cho-òrdanachadh gu tetrahedrally. Tha an cothlamadh den dà sheòrsa seo de cho-òrdanachadh atamach a’ leantainn gu anisotropy β-Ga2O3 le feartan sònraichte ann am fiosaig, corran ceimigeach, optics agus electronics.

Figear 1 Diagram structarail sgeamach de chriostal monoclinic β-Ga2O3

Bho shealladh teòiridh còmhlan lùtha, tha an luach as ìsle den chòmhlan giùlain de β-Ga2O3 a ’tighinn bhon stàit lùtha a tha co-chosmhail ri orbit hybrid 4s0 den atom Ga. Thathas a’ tomhas an eadar-dhealachadh lùtha eadar an luach as ìsle den chòmhlan giùlain agus an ìre lùth falamh (lùth dàimh dealanach). tha 4 eV. Tha tomad dealanach èifeachdach β-Ga2O3 air a thomhas mar 0.28–0.33 me agus an giùlan dealanach fàbharach aige. Ach, tha an ìre as àirde de chòmhlan valence a’ nochdadh lùb Ek eu-domhainn le curvature gu math ìosal agus orbitals O2p gu làidir ionadail, a ’moladh gu bheil na tuill gu math ionadail. Tha na feartan sin nan dùbhlan mòr airson dopadh seòrsa-p a choileanadh ann an β-Ga2O3. Eadhon ged a ghabhas dopadh seòrsa P a choileanadh, tha an toll μ fhathast aig ìre gu math ìosal. 2. Fàs criostal singilte mòr gallium oxide Gu ruige seo, is e an dòigh fàis de β-Ga2O3 substrate criostail singilte mòr sa mhòr-chuid dòigh tarraing criostal, leithid Czochralski (CZ), dòigh beathachaidh film tana air a mhìneachadh le iomall (Edge -Defined film-biadhadh , EFG), Bridgman (Bridgman rtical no còmhnard, HB no VB) agus teicneòlas sòn fleòdraidh (sòn fleòdraidh, FZ). Am measg a h-uile dòigh, thathas an dùil gur e dòighean beathachaidh film tana Czochralski agus iomall na dòighean as gealltanach airson cinneasachadh mòr de wafers β-Ga 2O3 san àm ri teachd, oir is urrainn dhaibh aig an aon àm meudan mòra agus dùmhlachd lochdan ìosal a choileanadh. Gu ruige seo, tha Teicneòlas Crystal Novel Iapan air matrix malairteach a thoirt gu buil airson fàs leaghaidh β-Ga2O3.

1.1 Czochralski dòigh

Is e prionnsapal dòigh Czochralski gu bheil an còmhdach sìl air a chòmhdach an toiseach, agus an uairsin thèid an aon chriostail a thoirt a-mach gu slaodach bhon leaghadh. Tha an dòigh Czochralski a’ sìor fhàs cudromach airson β-Ga2O3 air sgàth cho èifeachdach sa tha e cosgais, comasan meud mòr, agus fàs substrate càileachd criostail àrd. Ach, mar thoradh air cuideam teirmeach rè fàs àrd-teòthachd Ga2O3, bidh falmhachadh criostalan singilte, stuthan leaghaidh, agus milleadh air an Ir crucible. Tha seo mar thoradh air an duilgheadas ann a bhith a’ coileanadh dopadh n-seòrsa ìosal ann an Ga2O3. Is e a bhith a’ toirt a-steach tomhas iomchaidh de ocsaidean a-steach don àile fàis aon dòigh air an duilgheadas seo fhuasgladh. Tro optimachadh, chaidh β-Ga2O3 2-òirleach de chàileachd àrd le raon dùmhlachd dealanach an-asgaidh de 10 ^ 16 ~ 10 ^ 19 cm-3 agus dùmhlachd dealanach as àirde de 160 cm2 / Vs fhàs gu soirbheachail leis an dòigh Czochralski.

Figear 2 Criostal singilte de β-Ga2O3 air fhàs le dòigh Czochralski

1.2 Modh biadhaidh film air a mhìneachadh le Edge

Thathas den bheachd gur e an dòigh beathachaidh film tana a tha air a mhìneachadh le iomall am prìomh neach-farpais airson cinneasachadh malairteach de stuthan criostal singilte Ga2O3 ann an sgìre mhòr. Is e prionnsapal an dòigh seo an leaghadh a chuir ann am molltair le slit capillary, agus bidh an leaghadh ag èirigh chun molltair tro ghnìomhachd capillary. Aig a 'mhullach, bidh film tana a' cruthachadh agus a 'sgaoileadh a h-uile taobh fhad' sa tha e air a bhrosnachadh gu criostalachadh leis a 'chriostail sìol. A bharrachd air an sin, faodar oirean mullach an molltair a smachdachadh gus criostalan a dhèanamh ann am flakes, tiùban, no geoimeatraidh sam bith a tha thu ag iarraidh. Tha an dòigh beathachaidh film tana a tha air a mhìneachadh le oir de Ga2O3 a’ toirt seachad ìrean fàis luath agus trast-thomhas mòr. Tha Figear 3 a’ sealltainn diagram de chriostal singilte β-Ga2O3. A bharrachd air an sin, a thaobh sgèile meud, chaidh substrates 2-òirleach agus 4-òirleach β-Ga2O3 le follaiseachd agus èideadh sàr-mhath a mhalairteachadh, fhad ‘s a tha an substrate 6-òirleach air a nochdadh ann an rannsachadh airson malairteachadh san àm ri teachd. O chionn ghoirid, tha stuthan mòra cruinn aon-criostail rim faighinn cuideachd le stiùireadh (−201). A bharrachd air an sin, tha an dòigh beathachaidh film air a mhìneachadh le iomall β-Ga2O3 cuideachd a’ brosnachadh dopadh eileamaidean meatailt gluasaid, a ’dèanamh sgrùdadh agus ullachadh Ga2O3 comasach.

Figear 3 criostal singilte β-Ga2O3 air fhàs le dòigh beathachaidh film air a mhìneachadh le iomall

1.3 Modh Bridgeman

Ann an dòigh Bridgeman, tha criostalan air an cruthachadh ann an ceusadh a thèid a ghluasad mean air mhean tro chaismeachd teòthachd. Faodar am pròiseas a dhèanamh ann an taobh còmhnard no dìreach, mar as trice a’ cleachdadh breabadair rothlach. Is fhiach a bhith mothachail gum faod an dòigh seo sìol criostal a chleachdadh no nach eil. Tha dìth sealladh dìreach aig gnìomhaichean traidiseanta Bridgman air na pròiseasan leaghaidh agus fàs criostail agus feumaidh iad smachd a chumail air teòthachd le fìor chinnt. Tha an dòigh inghearach Bridgman air a chleachdadh sa mhòr-chuid airson fàs β-Ga2O3 agus tha e ainmeil airson a chomas fàs ann an àrainneachd adhair. Rè pròiseas fàis modh Bridgman dìreach, tha call mòr iomlan an leaghaidh agus an t-searbhag air a chumail fo 1%, a ’comasachadh fàs criostalan singilte mòr β-Ga2O3 le glè bheag de chall.

Figear 4 Criostal singilte de β-Ga2O3 air fhàs le modh Bridgeman

1.4 Modh sòn fleòdraidh

Bidh an dòigh sòn fleòdraidh a’ fuasgladh duilgheadas truailleadh criostail le stuthan crucible agus a’ lughdachadh nan cosgaisean àrda co-cheangailte ri stuthan crucible infridhearg a tha an aghaidh teòthachd àrd. Tron phròiseas fàis seo, faodar an leaghadh a theasachadh le lampa seach stòr RF, agus mar sin a ’sìmpleachadh riatanasan uidheamachd fàis. Ged nach eil cumadh agus càileachd criostail β-Ga2O3 air fhàs leis an dòigh sòn fleòdraidh fhathast as fheàrr, tha an dòigh seo a’ fosgladh dòigh gealltanach airson fàs β-Ga2O3 àrd-ghlan a-steach do chriostalan singilte a tha càirdeil don bhuidseit.