გალიუმის ოქსიდის ერთკრისტალური და ეპიტაქსიალური ზრდის ტექნოლოგია

ფართო ზოლის (WBG) ნახევარგამტარებმა, რომლებიც წარმოდგენილია სილიციუმის კარბიდით (SiC) და გალიუმის ნიტრიდით (GaN) ფართო ყურადღება მიიპყრო. ხალხს დიდი მოლოდინი აქვს სილიციუმის კარბიდის გამოყენების პერსპექტივებს ელექტრო მანქანებში და ელექტრო ქსელებში, ისევე როგორც გალიუმის ნიტრიდის გამოყენების პერსპექტივები სწრაფ დამუხტვაში. ბოლო წლებში Ga2O3, AlN და ალმასის მასალებზე კვლევამ მნიშვნელოვანი პროგრესი განიცადა, რითაც ყურადღების ცენტრში ექცა ულტრა ფართო ზოლიანი ნახევარგამტარული მასალები. მათ შორის, გალიუმის ოქსიდი (Ga2O3) არის წარმოქმნილი ულტრა ფართო ზოლიანი ნახევარგამტარული მასალა, ზოლის უფსკრულით 4.8 ევ, თეორიული ავარიის ველის სიძლიერით დაახლოებით 8 MV სმ-1, გაჯერების სიჩქარე დაახლოებით 2E7 სმ s-1. და მაღალი ბალიგას ხარისხის კოეფიციენტი 3000, რომელსაც ფართო ყურადღება ექცევა მაღალი დონის სფეროში ძაბვის და მაღალი სიხშირის დენის ელექტრონიკა.

1. გალიუმის ოქსიდის მასალის მახასიათებლები

Ga2O3-ს აქვს დიაპაზონის დიდი უფსკრული (4.8 eV), მოსალოდნელია მიაღწიოს როგორც მაღალი გამძლეობის ძაბვას, ასევე მაღალი სიმძლავრის შესაძლებლობებს და შეიძლება ჰქონდეს მაღალი ძაბვის ადაპტაციის პოტენციალი შედარებით დაბალი წინააღმდეგობის დროს, რაც მათ მიმდინარე კვლევის ფოკუსში აქცევს. გარდა ამისა, Ga2O3-ს არა მხოლოდ აქვს შესანიშნავი მატერიალური თვისებები, არამედ უზრუნველყოფს სხვადასხვა ადვილად რეგულირებადი n-ტიპის დოპინგ ტექნოლოგიებს, ასევე სუბსტრატის ზრდისა და ეპიტაქსიის დაბალფასიან ტექნოლოგიებს. ჯერჯერობით, Ga2O3-ში აღმოაჩინეს ხუთი განსხვავებული კრისტალური ფაზა, მათ შორის კორუნდი (α), მონოკლინიკური (β), დეფექტური სპინელი (γ), კუბური (δ) და ორთორმბული (ɛ) ფაზები. თერმოდინამიკური სტაბილურობა არის, თანმიმდევრობით, γ, δ, α, ɛ და β. აღსანიშნავია, რომ მონოკლინიკური β-Ga2O3 არის ყველაზე სტაბილური, განსაკუთრებით მაღალ ტემპერატურაზე, ხოლო სხვა ფაზები მეტასტაბილურია ოთახის ტემპერატურაზე და მიდრეკილია β ფაზაში გარდაქმნას სპეციფიკურ თერმულ პირობებში. ამიტომ, β-Ga2O3-ზე დაფუძნებული მოწყობილობების განვითარება ბოლო წლების განმავლობაში ენერგეტიკული ელექტრონიკის სფეროში მთავარი აქცენტი გახდა.

ცხრილი 1 ზოგიერთი ნახევარგამტარული მასალის პარამეტრის შედარება

მონოკლინიკ β-Ga2O3-ის კრისტალური სტრუქტურა ნაჩვენებია ცხრილში 1. მისი გისოსის პარამეტრები მოიცავს a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å და β = 103,8 °. ერთეული უჯრედი შედგება Ga(I) ატომებისაგან გრეხილი ტეტრაედრული კოორდინაციით და Ga(II) ატომები რვააედრული კოორდინაციით. ჟანგბადის ატომების სამი განსხვავებული განლაგებაა „გრეხილ კუბურ“ მასივში, მათ შორის ორი სამკუთხედად კოორდინირებული O(I) და O(II) ატომები და ერთი ტეტრაედრულად კოორდინირებული O(III) ატომები. ამ ორი ტიპის ატომური კოორდინაციის ერთობლიობა იწვევს β-Ga2O3-ის ანიზოტროპიას განსაკუთრებული თვისებებით ფიზიკაში, ქიმიურ კოროზიაში, ოპტიკასა და ელექტრონიკაში.

სურათი 1 მონოკლინიკური β-Ga2O3 კრისტალის სქემატური სტრუქტურული დიაგრამა

ენერგეტიკული დიაპაზონის თეორიის პერსპექტივიდან გამომდინარე, β-Ga2O3-ის გამტარობის ზოლის მინიმალური მნიშვნელობა მიღებულია Ga ატომის 4s0 ჰიბრიდული ორბიტის შესაბამისი ენერგეტიკული მდგომარეობიდან. გაზომილია ენერგეტიკული სხვაობა გამტარობის ზოლის მინიმალურ მნიშვნელობასა და ვაკუუმის ენერგიის დონეს შორის (ელექტრონების აფინურობის ენერგია). არის 4 ევ. β-Ga2O3-ის ეფექტური ელექტრონული მასა იზომება 0,28-0,33 me და მისი ხელსაყრელი ელექტრონული გამტარობა. თუმცა, ვალენტობის დიაპაზონის მაქსიმუმი ავლენს არაღრმა Ek მრუდს ძალიან დაბალი გამრუდებით და ძლიერ ლოკალიზებული O2p ორბიტალებით, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ ხვრელები ღრმად ლოკალიზებულია. ეს მახასიათებლები უზარმაზარ გამოწვევას წარმოადგენს β-Ga2O3-ში p-ტიპის დოპინგის მისაღწევად. მაშინაც კი, თუ შესაძლებელია P-ტიპის დოპინგის მიღწევა, ხვრელი μ რჩება ძალიან დაბალ დონეზე. 2. მოცულობითი გალიუმის ოქსიდის ერთკრისტალის ზრდა ჯერჯერობით, β-Ga2O3 ნაყარი ერთკრისტალური სუბსტრატის ზრდის მეთოდი ძირითადად არის კრისტალური მოზიდვის მეთოდი, როგორიცაა Czochralski (CZ), კიდეებით განსაზღვრული თხელი ფირის კვების მეთოდი (Edge -Defined Film-Fed , EFG), Bridgman (რტიკალური ან ჰორიზონტალური Bridgman, HB ან VB) და მცურავი ზონა (მცურავი ზონა, FZ) ტექნოლოგია. ყველა მეთოდს შორის, ჩოჩრალსკი და ზღვარზე განსაზღვრული თხელი ფენით კვების მეთოდები, სავარაუდოდ, იქნება ყველაზე პერსპექტიული გზა მომავალში β-Ga 2O3 ვაფლის მასობრივი წარმოებისთვის, რადგან მათ შეუძლიათ ერთდროულად მიაღწიონ დიდ მოცულობას და მცირე დეფექტის სიმკვრივეს. ამ დრომდე, იაპონიის Novel Crystal Technology-მა გააცნობიერა კომერციული მატრიცა დნობის ზრდის β-Ga2O3-ისთვის.

1.1 ჩოხრალსკის მეთოდი

ჩოქრალსკის მეთოდის პრინციპი ისაა, რომ თესლის ფენა ჯერ იფარება, შემდეგ კი ერთკრისტალი ნელ-ნელა იშლება დნობიდან. ჩოხრალსკის მეთოდი სულ უფრო მნიშვნელოვანია β-Ga2O3-ისთვის მისი ეკონომიურობის, დიდი ზომის შესაძლებლობებისა და მაღალი კრისტალური ხარისხის სუბსტრატის ზრდის გამო. თუმცა, Ga2O3-ის მაღალტემპერატურული ზრდის დროს თერმული სტრესის გამო, მოხდება ერთკრისტალების აორთქლება, დნობის მასალები და Ir ჭურჭლის დაზიანება. ეს არის Ga2O3-ში დაბალი n-ტიპის დოპინგის მიღწევის სირთულის შედეგი. ზრდის ატმოსფეროში ჟანგბადის სათანადო რაოდენობის შეყვანა ამ პრობლემის გადაჭრის ერთ-ერთი გზაა. ოპტიმიზაციის საშუალებით წარმატებით გაიზარდა მაღალი ხარისხის 2-დიუმიანი β-Ga2O3 თავისუფალი ელექტრონის კონცენტრაციის დიაპაზონით 10^16~10^19 სმ-3 და ელექტრონის მაქსიმალური სიმკვრივით 160 სმ2/Vs ჩოხრალსკის მეთოდით.

სურათი 2 β-Ga2O3-ის ერთკრისტალი, რომელიც გაიზარდა ჩოხრალსკის მეთოდით

1.2 კიდეებით განსაზღვრული ფირის კვების მეთოდი

კიდეებით განსაზღვრული თხელი ფირის კვების მეთოდი ითვლება წამყვან კონკურენტად დიდი ფართობის Ga2O3 ერთკრისტალური მასალების კომერციული წარმოებისთვის. ამ მეთოდის პრინციპია დნობის მოთავსება ყალიბში კაპილარული ჭრილით და დნობა ყალიბში ადის კაპილარული მოქმედებით. ზედა ნაწილში, თხელი ფილმი იქმნება და ვრცელდება ყველა მიმართულებით, ხოლო თესლის ბროლის კრისტალიზაციას იწვევს. გარდა ამისა, ყალიბის ზედა კიდეების კონტროლი შესაძლებელია კრისტალების წარმოებისთვის ფანტელებში, მილებში ან ნებისმიერ სასურველ გეომეტრიაში. Ga2O3-ის კიდეებით განსაზღვრული თხელი ფირის კვების მეთოდი უზრუნველყოფს ზრდის სწრაფ ტემპს და დიდ დიამეტრს. სურათი 3 გვიჩვენებს β-Ga2O3 ერთკრისტალის დიაგრამას. გარდა ამისა, ზომის მასშტაბის თვალსაზრისით, კომერციალიზაცია მოხდა 2-დიუმიანი და 4-დიუმიანი β-Ga2O3 სუბსტრატებით, შესანიშნავი გამჭვირვალობით და ერთგვაროვნებით, ხოლო 6-დიუმიანი სუბსტრატი ნაჩვენებია კვლევებში მომავალი კომერციალიზაციისთვის. ცოტა ხნის წინ, დიდი წრიული ერთკრისტალური ნაყარი მასალები ასევე ხელმისაწვდომი გახდა (−201) ორიენტირებით. გარდა ამისა, β-Ga2O3 კიდეებით განსაზღვრული ფირის კვების მეთოდი ასევე ხელს უწყობს გარდამავალი ლითონის ელემენტების დოპინგს, რაც შესაძლებელს ხდის Ga2O3-ის კვლევასა და მომზადებას.

სურათი 3 β-Ga2O3 ერთკრისტალი გაიზარდა კიდეებით განსაზღვრული ფირის კვების მეთოდით

1.3 ბრიჯმენის მეთოდი

ბრიჯმენის მეთოდით კრისტალები წარმოიქმნება ჭურჭელში, რომელიც თანდათანობით მოძრაობს ტემპერატურის გრადიენტში. პროცესი შეიძლება შესრულდეს ჰორიზონტალურ ან ვერტიკალურ ორიენტაციაში, ჩვეულებრივ, მბრუნავი ჭურჭლის გამოყენებით. აღსანიშნავია, რომ ამ მეთოდმა შეიძლება გამოიყენოს ან არ გამოიყენოს ბროლის თესლი. ბრიჯმენის ტრადიციულ ოპერატორებს არ აქვთ დნობისა და კრისტალების ზრდის პროცესების პირდაპირი ვიზუალიზაცია და უნდა აკონტროლონ ტემპერატურა მაღალი სიზუსტით. ვერტიკალური Bridgman მეთოდი ძირითადად გამოიყენება β-Ga2O3-ის ზრდისთვის და ცნობილია ჰაერის გარემოში ზრდის უნარით. ვერტიკალური ბრიჯმანის მეთოდის ზრდის პროცესში, დნობისა და ჭურჭლის მთლიანი მასის დანაკარგი ინახება 1%-ზე დაბლა, რაც შესაძლებელს გახდის დიდი β-Ga2O3 ერთკრისტალების ზრდას მინიმალური დანაკარგით.

სურათი 4 ბრიჯმანის მეთოდით გაზრდილი β-Ga2O3-ის ერთკრისტალი

1.4 მცურავი ზონის მეთოდი

მცურავი ზონის მეთოდი წყვეტს კრისტალების დაბინძურების პრობლემას კრისტალური მასალებით და ამცირებს მაღალი ტემპერატურის რეზისტენტულ ინფრაწითელ ჭურჭელთან დაკავშირებულ მაღალ ხარჯებს. ზრდის ამ პროცესის დროს, დნობა შეიძლება გაცხელდეს ნათურებით და არა RF წყაროთ, რითაც გამარტივდება მოთხოვნები ზრდის აღჭურვილობის მიმართ. მიუხედავად იმისა, რომ მცურავი ზონის მეთოდით გაზრდილი β-Ga2O3-ის ფორმა და ბროლის ხარისხი ჯერ კიდევ არ არის ოპტიმალური, ეს მეთოდი ხსნის პერსპექტიულ მეთოდს მაღალი სისუფთავის β-Ga2O3-ის საბიუჯეტო ერთკრისტალებად გადაყვანისთვის.