Գալիումի օքսիդի միաբյուրեղ և էպիտաքսիալ աճի տեխնոլոգիա

Լայն շապիկով (WBG) կիսահաղորդիչները, որոնք ներկայացված են սիլիցիումի կարբիդով (SiC) և գալիումի նիտրիդով (GaN) լայն տարածում գտան: Մարդիկ մեծ ակնկալիքներ ունեն էլեկտրական մեքենաներում և էլեկտրացանցերում սիլիցիումի կարբիդի կիրառման հեռանկարներից, ինչպես նաև արագ լիցքավորման ժամանակ գալիումի նիտրիդի կիրառման հեռանկարներից: Վերջին տարիներին Ga2O3-ի, AlN-ի և ադամանդի նյութերի հետազոտությունները զգալի առաջընթաց են գրանցել՝ ուշադրության կենտրոնում դարձնելով ծայրահեղ լայն շերտով կիսահաղորդչային նյութերը: Դրանցից գալիումի օքսիդը (Ga2O3) առաջացող գերլայն բացվածքով կիսահաղորդչային նյութ է՝ 4,8 էՎ գոտի բացվածքով, տեսական ճեղքման դաշտի կրիտիկական ուժով մոտ 8 ՄՎ սմ-1, հագեցվածության արագություն՝ մոտ 2E7 սմ s-1, և բարձր Baliga-ի որակի գործակիցը` 3000, արժանանալով լայն ուշադրության բարձրության ոլորտում լարման և բարձր հաճախականության հոսանքի էլեկտրոնիկա:

1. Գալիումի օքսիդի նյութի բնութագրերը

Ga2O3-ն ունի մեծ տիրույթի բացվածք (4,8 էՎ), ակնկալվում է, որ կհասնի ինչպես բարձր դիմադրության լարման, այնպես էլ բարձր էներգիայի կարողությունների, և կարող է ունենալ բարձր լարման հարմարվողականության ներուժ համեմատաբար ցածր դիմադրության դեպքում՝ դարձնելով դրանք ընթացիկ հետազոտության ուշադրության կենտրոնում: Բացի այդ, Ga2O3-ն ունի ոչ միայն հիանալի նյութական հատկություններ, այլ նաև ապահովում է մի շարք հեշտությամբ կարգավորվող n-տիպի դոպինգ տեխնոլոգիաներ, ինչպես նաև ցածր գնով ենթաշերտի աճի և էպիտաքսիայի տեխնոլոգիաներ: Մինչ այժմ Ga2O3-ում հայտնաբերվել են հինգ տարբեր բյուրեղային փուլեր, այդ թվում՝ կորունդի (α), մոնոկլինիկ (β), արատավոր սպինելի (γ), խորանարդ (δ) և օրթորոմբի (ɛ) փուլերը։ Ջերմոդինամիկական կայունությունները, ըստ հերթականության, գ, δ, α, ɛ և β են: Հարկ է նշել, որ մոնոկլինիկ β-Ga2O3-ն ամենակայունն է հատկապես բարձր ջերմաստիճաններում, մինչդեռ մյուս փուլերը մետաստաբիլ են սենյակային ջերմաստիճանից բարձր և հակված են հատուկ ջերմային պայմաններում վերածվել β փուլի: Հետևաբար, β-Ga2O3-ի վրա հիմնված սարքերի մշակումը վերջին տարիներին դարձել է ուժային էլեկտրոնիկայի ոլորտում հիմնական ուշադրությունը:

Աղյուսակ 1 Կիսահաղորդչային նյութերի որոշ պարամետրերի համեմատություն

Մոնոկլինիկβ-Ga2O3-ի բյուրեղային կառուցվածքը ներկայացված է Աղյուսակ 1-ում: Նրա վանդակավոր պարամետրերը ներառում են a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å, և β = 103,8 °: Միավոր բջիջը բաղկացած է Ga(I) ատոմներից՝ ոլորված քառանիստ կոորդինացմամբ և Ga(II) ութանիստ կոորդինացիայով։ Թթվածնի ատոմների երեք տարբեր դասավորություններ կան «ոլորված խորանարդ» զանգվածում, ներառյալ երկու եռանկյունաձև կոորդինացված O(I) և O(II) ատոմները և մեկ քառանիստ կոորդինացված O(III) ատոմ: Ատոմային կոորդինացիայի այս երկու տեսակների համադրությունը հանգեցնում է β-Ga2O3-ի անիզոտրոպիայի՝ ֆիզիկայի, քիմիական կոռոզիայի, օպտիկայի և էլեկտրոնիկայի հատուկ հատկություններով:

Նկար 1 Մոնոկլինիկ β-Ga2O3 բյուրեղի սխեմատիկ կառուցվածքային դիագրամ

Էներգետիկ տիրույթի տեսության տեսանկյունից β-Ga2O3 հաղորդման գոտու նվազագույն արժեքը ստացվում է Ga ատոմի 4s0 հիբրիդային ուղեծրին համապատասխանող էներգետիկ վիճակից։ Չափվում է հաղորդման գոտու նվազագույն արժեքի և վակուումային էներգիայի մակարդակի էներգիայի տարբերությունը (էլեկտրոնների մերձեցման էներգիա): 4 էՎ է: β-Ga2O3-ի արդյունավետ էլեկտրոնային զանգվածը չափվում է 0,28–0,33 me և դրա բարենպաստ էլեկտրոնային հաղորդունակությունը: Այնուամենայնիվ, վալենտական ​​գոտին առավելագույնը ցուցադրում է մակերեսային Ek կորը շատ ցածր կորությամբ և խիստ տեղայնացված O2p ուղեծրերով, ինչը ենթադրում է, որ անցքերը խորը տեղայնացված են: Այս բնութագրերը հսկայական մարտահրավեր են β-Ga2O3-ում p-տիպի դոպինգի հասնելու համար: Նույնիսկ եթե P- տիպի դոպինգ կարելի է ձեռք բերել, փոսը μ մնում է շատ ցածր մակարդակի վրա: 2. Գալիումի օքսիդի մեծածավալ միաբյուրեղի աճը Մինչ այժմ β-Ga2O3 մեծածավալ միաբյուրեղային սուբստրատի աճի մեթոդը հիմնականում բյուրեղապակման մեթոդն է, ինչպիսին է Չոխրալսկին (CZ), եզրով սահմանված բարակ թաղանթով կերակրման մեթոդը (Edge-Defined Film-սնուցում): , EFG), Bridgman (ռտիկ կամ հորիզոնական Bridgman, HB կամ VB) և լողացող գոտի (լողացող գոտի, FZ) տեխնոլոգիա. Ակնկալվում է, որ բոլոր մեթոդների մեջ Չոխրալսկին և եզրագծված բարակ թաղանթով կերակրման մեթոդները կլինեն ապագայում β-Ga 2O3 վաֆլի զանգվածային արտադրության առավել խոստումնալից ուղիները, քանի որ դրանք կարող են միաժամանակ հասնել մեծ ծավալների և արատների ցածր խտության: Մինչ այժմ ճապոնական Novel Crystal Technology ընկերությունը մշակել է հալոցքի β-Ga2O3 աճի առևտրային մատրիցա:

1.1 Չոխրալսկու մեթոդ

Չոխրալսկու մեթոդի սկզբունքն այն է, որ սերմերի շերտը սկզբում ծածկվում է, իսկ հետո միայնակ բյուրեղը դանդաղորեն դուրս է հանվում հալոցքից։ Չոխրալսկու մեթոդը գնալով ավելի կարևոր է β-Ga2O3-ի համար՝ շնորհիվ իր ծախսարդյունավետության, մեծ չափի հնարավորությունների և բարձր բյուրեղային որակի ենթաշերտի աճի: Այնուամենայնիվ, Ga2O3-ի բարձր ջերմաստիճանի աճի ժամանակ ջերմային սթրեսի պատճառով տեղի կունենա միայնակ բյուրեղների, հալված նյութերի գոլորշիացում և Ir խառնարանի վնաս: Սա Ga2O3-ում ցածր n-տիպի դոպինգի հասնելու դժվարության արդյունք է: Աճի մթնոլորտում համապատասխան քանակությամբ թթվածնի ներմուծումը այս խնդրի լուծման ուղիներից մեկն է: Օպտիմալացման միջոցով Չոխրալսկու մեթոդով հաջողությամբ աճեցվել է բարձրորակ 2-դյույմանոց β-Ga2O3՝ 10^16~10^19 սմ-3 ազատ էլեկտրոնի կոնցենտրացիայի միջակայքով և 160 սմ2/Վս առավելագույն էլեկտրոնային խտությամբ:

Նկար 2 Czochralski մեթոդով աճեցված β-Ga2O3 միաբյուրեղ

1.2 Եզրով սահմանված ֆիլմի կերակրման մեթոդ

Եզրերով սահմանված բարակ թաղանթով կերակրման մեթոդը համարվում է խոշոր տարածքի Ga2O3 միաբյուրեղային նյութերի առևտրային արտադրության առաջատար հավակնորդը: Այս մեթոդի սկզբունքն այն է, որ հալոցը տեղադրվի մազանոթային ճեղքվածքով կաղապարի մեջ, և հալոցքը մազանոթային գործողությամբ բարձրանում է դեպի կաղապար: Վերևում բարակ թաղանթ է ձևավորվում և տարածվում բոլոր ուղղություններով, մինչդեռ սերմերի բյուրեղից բյուրեղանում է: Բացի այդ, կաղապարի վերևի եզրերը կարող են կառավարվել՝ բյուրեղներ արտադրելու փաթիլների, խողովակների կամ ցանկացած ցանկալի երկրաչափության մեջ: Ga2O3-ի եզրերով սահմանված բարակ թաղանթով կերակրման մեթոդը ապահովում է արագ աճի տեմպեր և մեծ տրամագծեր: Նկար 3-ը ցույց է տալիս β-Ga2O3 միաբյուրեղի դիագրամը: Բացի այդ, չափի մասշտաբով, 2-դյույմանոց և 4-դյույմանոց β-Ga2O3 սուբստրատները՝ գերազանց թափանցիկությամբ և միատեսակությամբ, առևտրայնացվել են, մինչդեռ 6-դյույմանոց սուբստրատը ցուցադրվել է հետագա առևտրայնացման հետազոտություններում: Վերջերս մեծ շրջանաձև միաբյուրեղյա զանգվածային նյութեր նույնպես հասանելի են դարձել (−201) ուղղվածությամբ: Բացի այդ, β-Ga2O3 եզրով սահմանված թաղանթով սնուցման մեթոդը նաև նպաստում է անցումային մետաղի տարրերի դոպինգին՝ հնարավոր դարձնելով Ga2O3-ի հետազոտությունն ու պատրաստումը:

Նկար 3 β-Ga2O3 միաբյուրեղ աճեցված եզրով սահմանված թաղանթով կերակրման մեթոդով

1.3 Բրիջման մեթոդ

Bridgeman մեթոդով բյուրեղները ձևավորվում են խառնարանում, որը աստիճանաբար տեղափոխվում է ջերմաստիճանի գրադիենտով: Գործընթացը կարող է իրականացվել հորիզոնական կամ ուղղահայաց կողմնորոշմամբ, սովորաբար օգտագործելով պտտվող խառնարան: Հարկ է նշել, որ այս մեթոդը կարող է օգտագործել կամ չօգտագործել բյուրեղյա սերմեր: Ավանդական Bridgman օպերատորները չունեն հալման և բյուրեղների աճի գործընթացների անմիջական պատկերացում, և պետք է վերահսկեն ջերմաստիճանը բարձր ճշգրտությամբ: Ուղղահայաց Bridgman մեթոդը հիմնականում օգտագործվում է β-Ga2O3-ի աճի համար և հայտնի է օդային միջավայրում աճելու ունակությամբ: Ուղղահայաց Bridgman մեթոդի աճի գործընթացում հալվածի և կարասի ընդհանուր զանգվածի կորուստը պահվում է 1%-ից ցածր՝ թույլ տալով մեծ β-Ga2O3 միաբյուրեղների աճը նվազագույն կորստով:

Նկար 4 Բրիջման մեթոդով աճեցված β-Ga2O3 միաբյուրեղ

1.4 Լողացող գոտու մեթոդ

Լողացող գոտու մեթոդը լուծում է խառնարանային նյութերով բյուրեղներով աղտոտվածության խնդիրը և նվազեցնում է բարձր ծախսերը՝ կապված բարձր ջերմաստիճանի դիմացկուն ինֆրակարմիր խառնարանների հետ: Աճման այս գործընթացի ընթացքում հալոցքը կարող է ջեռուցվել ոչ թե ՌԴ աղբյուրով, այլ լամպով, այդպիսով պարզեցնելով աճող սարքավորումների պահանջները: Չնայած լողացող գոտու մեթոդով աճեցված β-Ga2O3-ի ձևն ու բյուրեղային որակը դեռ օպտիմալ չեն, այս մեթոդը բացում է խոստումնալից մեթոդ՝ բարձր մաքրության β-Ga2O3-ը բյուջետային միայնակ բյուրեղների վերածելու համար:

Նկար 5 β-Ga2O3 միաբյուրեղ, աճեցված լողացող գոտու մեթոդով: