גליום אוקסיד חד גביש וטכנולוגיית גידול אפיטקסיאלית

מוליכים למחצה Wide bandgap (WBG) המיוצגים על ידי סיליקון קרביד (SiC) וגליום ניטריד (GaN) זכו לתשומת לב רחבה. לאנשים יש ציפיות גבוהות לסיכויי היישום של סיליקון קרביד בכלי רכב חשמליים ורשתות חשמל, כמו גם סיכויי היישום של גליום ניטריד בטעינה מהירה. בשנים האחרונות, המחקר על Ga2O3, AlN וחומרי יהלום התקדם משמעותית, מה שהופך חומרים מוליכים למחצה רחבים במיוחד למוקד תשומת הלב. ביניהם, תחמוצת גליום (Ga2O3) הוא חומר מוליך-למחצה רחב במיוחד עם פער פס של 4.8 eV, חוזק שדה פירוק קריטי תיאורטי של כ-8 MV cm-1, מהירות רוויה של כ-2E7cm s-1, ומקדם איכות בליגה גבוה של 3000, זוכה לתשומת לב נרחבת בתחום המתח הגבוה והגבוה אלקטרוניקת כוח תדר.

1. מאפייני חומר גליום אוקסיד
ל-Ga2O3 פער פס גדול (4.8 eV), צפוי להשיג גם מתח עמידות גבוה וגם יכולות הספק גבוהות, ויכול להיות בעל פוטנציאל להסתגלות למתח גבוה בהתנגדות נמוכה יחסית, מה שהופך אותם למוקד המחקר הנוכחי. בנוסף, ל-Ga2O3 יש לא רק תכונות חומר מצוינות, אלא גם מספק מגוון טכנולוגיות סימום מסוג n הניתנות להתאמה בקלות, כמו גם טכנולוגיות צמיחת מצע ואפיטקסיה בעלות נמוכה. עד כה התגלו חמישה שלבים גבישיים שונים ב-Ga2O3, כולל פאזות קורונדום (α), מונוקליניות (β), ספינל פגום (γ), קובי (δ) ואורתורהומבי (ɛ). היציבות התרמודינמית הן, לפי הסדר, γ, δ, α, ɛ ו-β. ראוי לציין כי β-Ga2O3 מונוקליני הוא היציב ביותר, במיוחד בטמפרטורות גבוהות, בעוד שלבים אחרים הם יציבים מעל טמפרטורת החדר ונוטים להפוך לשלב β בתנאים תרמיים ספציפיים. לכן, פיתוח מכשירים מבוססי β-Ga2O3 הפך בשנים האחרונות למוקד מרכזי בתחום האלקטרוניקה הכוחנית.

טבלה 1 השוואה של כמה פרמטרים של חומר מוליכים למחצה

מבנה הגביש של monoclinicβ-Ga2O3 מוצג בטבלה 1. פרמטרי הסריג שלו כוללים a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, ו-β = 103.8°. תא היחידה מורכב מאטומי Ga(I) בעלי קואורדינציה טטרהדרלית מעוותת ואטומי Ga(II) בעלי תיאום אוקטהדרלי. ישנם שלושה סידורים שונים של אטומי חמצן במערך ה"קובי המעוות", כולל שני אטומי O(I) ו-O(II) המתואמים במשולש ואטום O(III) אחד המתואם טטרהדרלית. השילוב של שני סוגי תיאום אטומי אלה מוביל לאנזיטרופיה של β-Ga2O3 עם תכונות מיוחדות בפיזיקה, קורוזיה כימית, אופטיקה ואלקטרוניקה.

איור 1 תרשים מבני סכמטי של גביש β-Ga2O3 מונוקליני

מנקודת המבט של תורת פס האנרגיה, הערך המינימלי של פס ההולכה של β-Ga2O3 נגזר ממצב האנרגיה המקביל למסלול ההיברידית 4s0 של אטום Ga. הפרש האנרגיה בין הערך המינימלי של פס ההולכה לרמת אנרגיית הוואקום (אנרגיית זיקה לאלקטרונים) נמדד. הוא 4 eV. מסת האלקטרונים האפקטיבית של β-Ga2O3 נמדדת כ-0.28-0.33 me והמוליכות האלקטרונית הטובה שלו. עם זאת, רצועת הערכיות המקסימלית מציגה עקומת Ek רדודה עם עקמומיות נמוכה מאוד ואורביטלים O2p מקומיים מאוד, מה שמצביע על כך שהחורים ממוקמים עמוק. מאפיינים אלו מהווים אתגר עצום להשגת סימום מסוג p ב-β-Ga2O3. גם אם ניתן להשיג סימום מסוג P, החור μ נשאר ברמה נמוכה מאוד. 2. גידול של גביש יחיד בתפזורת גליום אוקסיד עד כה, שיטת הגידול של מצע גביש בודד בתפזורת β-Ga2O3 היא בעיקר שיטת משיכת גבישים, כגון Czochralski (CZ), שיטת האכלה של סרט דק מוגדר בקצה (Edge -Defined film-fed , EFG), ברידג'מן (Rtical או אופקי ברידג'מן, HB או VB) ואזור צף טכנולוגיית (אזור צף, FZ). מבין כל השיטות, צ'וצ'רלסקי ושיטות האכלה של סרט דק מוגדר בקצה צפויות להיות השדרות המבטיחות ביותר לייצור המוני של פרוסות β-Ga 2O3 בעתיד, שכן הן יכולות להשיג בו זמנית נפחים גדולים וצפיפות פגמים נמוכה. עד כה, טכנולוגיית הקריסטל החדשנית של יפן מימשה מטריצה ​​מסחרית לצמיחת נמס β-Ga2O3.

2.1 שיטת צ'וקרלסקי
העיקרון של שיטת צ'וקרלסקי הוא שתחילה מכסים את שכבת הזרעים, ולאחר מכן שולפים באיטיות את הגביש היחיד מההמסה. שיטת Czochralski חשובה יותר ויותר עבור β-Ga2O3 בשל עלות-תועלת שלה, יכולות גודל גדול וצמיחת מצע באיכות גבישית גבוהה. עם זאת, עקב מתח תרמי במהלך הגידול בטמפרטורה גבוהה של Ga2O3, יתרחש אידוי של גבישים בודדים, חומרים נמסים ונזק לכור היתוך Ir. זו תוצאה של הקושי להשיג סימום נמוך מסוג n ב-Ga2O3. הכנסת כמות מתאימה של חמצן לאטמוספרת הגידול היא אחת הדרכים לפתור בעיה זו. באמצעות אופטימיזציה, 2 אינץ' β-Ga2O3 באיכות גבוהה עם טווח ריכוז אלקטרונים חופשי של 10^16~10^19 cm-3 וצפיפות אלקטרונים מקסימלית של 160 cm2/Vs גדל בהצלחה בשיטת Czochralski.

איור 2 איור 2 גביש בודד של β-Ga2O3 שגדל בשיטת Czochralski

2.2 שיטת האכלת סרט מוגדרת בקצה
שיטת הזנת הסרט הדק המוגדרת בקצה נחשבת למתחרה המובילה לייצור מסחרי של חומרים חד-גבישיים Ga2O3 בעלי שטח גדול. העיקרון של שיטה זו הוא להניח את הנמס בתבנית עם חריץ נימי, וההמסה עולה לתבנית באמצעות פעולה נימית. בחלק העליון נוצר סרט דק ומתפשט לכל הכיוונים תוך כדי גרימת התגבשות על ידי גביש הזרע. בנוסף, ניתן לשלוט בקצוות של החלק העליון של התבנית כדי לייצר גבישים בפתיתים, צינורות או כל גיאומטריה רצויה. שיטת האכלת הסרט הדק המוגדרת בקצה של Ga2O3 מספקת קצבי צמיחה מהירים וקטרים ​​גדולים. איור 3 מציג תרשים של גביש יחיד β-Ga2O3. בנוסף, מבחינת קנה המידה של גודל, ממוסחרים מצעי β-Ga2O3 בגודל 2 אינץ' ו-4 אינץ' בעלי שקיפות ואחידות מצוינות, בעוד שמצע ה-6 אינץ' מודגם במחקר לצורך מסחור עתידי. לאחרונה, חומרים עגולים גדולים בעלי גביש בודד הפכו זמינים גם עם כיוון (-201). בנוסף, שיטת האכלת הסרט המוגדרת בקצה β-Ga2O3 מקדמת גם סימום של יסודות מתכת מעבר, מה שמאפשר את המחקר וההכנה של Ga2O3.

איור 3 β-Ga2O3 גביש בודד גדל על ידי שיטת האכלה של הסרט המוגדר בקצה

2.3 שיטת ברידג'מן
בשיטת ברידג'מן נוצרים גבישים בכור היתוך המוזז בהדרגה דרך שיפוע טמפרטורה. התהליך יכול להתבצע בכיוון אופקי או אנכי, בדרך כלל באמצעות כור היתוך מסתובב. ראוי לציין ששיטה זו עשויה להשתמש בזרעי קריסטל או לא. למפעילי ברידג'מן המסורתיים אין הדמיה ישירה של תהליכי ההיתוך וצמיחת הגבישים ועליהם לשלוט בטמפרטורות בדיוק גבוה. שיטת ברידג'מן האנכית משמשת בעיקר לגידול β-Ga2O3 וידועה ביכולתה לגדול בסביבת אוויר. במהלך תהליך הגידול האנכי בשיטת ברידג'מן, אובדן המסה הכולל של ההיתוך והכור נשמר מתחת ל-1%, מה שמאפשר צמיחה של גבישים בודדים β-Ga2O3 גדולים עם אובדן מינימלי.

איור 4 גביש בודד של β-Ga2O3 שגדל בשיטת ברידג'מן

2.4 שיטת אזור צף
שיטת האזור הצף פותרת את בעיית זיהום הגבישים על ידי חומרי כור ההיתוך ומפחיתה את העלויות הגבוהות הכרוכות בכור היתוך אינפרא אדום עמיד בטמפרטורה גבוהה. במהלך תהליך גידול זה, ניתן לחמם את ההמסה על ידי מנורה ולא מקור RF, ובכך לפשט את הדרישות לציוד גידול. למרות שהצורה ואיכות הגביש של β-Ga2O3 הגדל בשיטת האזור הצף עדיין לא אופטימליות, שיטה זו פותחת שיטה מבטיחה לגידול β-Ga2O3 בטוהר גבוה לכדי גבישים בודדים ידידותיים לתקציב.

איור 5 β-Ga2O3 גביש יחיד שגדל בשיטת האזור הצף.