Кремний карбиді (SiC) және галлий нитриді (GaN) арқылы ұсынылған кең жолақты жартылай өткізгіштерге (WBG) кеңінен назар аударылды. Адамдар кремний карбидін электр көліктерінде және электр желілерінде қолдану перспективаларына, сондай-ақ галлий нитридін жылдам зарядтауда қолдану перспективаларына үлкен үміт артады. Соңғы жылдары Ga2O3, AlN және алмаз материалдары бойынша зерттеулер айтарлықтай прогреске қол жеткізіп, ультра кең жолақты жартылай өткізгіш материалдардың назарын аударды. Олардың ішінде галлий оксиді (Ga2O3) 4,8 эВ жолақ саңылауы, теориялық сыни өріс кернеулігі шамамен 8 МВ см-1, қанығу жылдамдығы шамамен 2E7 см с-1, ультра кең жолақты жартылай өткізгіш материал болып табылады. және 3000 жоғары Балига сапа коэффициенті жоғары кернеу саласында кеңінен назар аударады. және жоғары жиілікті қуатты электроника.
1. Галлий оксидінің материал сипаттамалары
Ga2O3 үлкен диапазонға ие (4,8 эВ), жоғары төзімділік кернеуіне де, жоғары қуат мүмкіндіктеріне де қол жеткізеді деп күтілуде және салыстырмалы түрде төмен қарсылық кезінде жоғары кернеуге бейімделу әлеуеті болуы мүмкін, бұл оларды ағымдағы зерттеулердің басты бағытына айналдырады. Сонымен қатар, Ga2O3 тамаша материал қасиеттеріне ие ғана емес, сонымен қатар оңай реттелетін n-типті допингтік технологиялардың алуан түрін, сондай-ақ субстраттың арзан өсуі мен эпитаксия технологияларын ұсынады. Осы уақытқа дейін Ga2O3 құрамында корунд (α), моноклиникалық (β), ақаулы шпинель (γ), текше (δ) және орторомбты (ɛ) фазаларын қоса алғанда, бес түрлі кристалдық фазалар ашылды. Термодинамикалық тұрақтылықтар ретімен γ, δ, α, ɛ және β болып табылады. Айта кету керек, моноклиникалық β-Ga2O3 ең тұрақты, әсіресе жоғары температурада, ал басқа фазалар бөлме температурасынан жоғары метатұрақты және белгілі бір жылу жағдайында β фазасына айналуға бейім. Сондықтан, β-Ga2O3 негізіндегі құрылғыларды жасау соңғы жылдары энергетикалық электроника саласындағы басты назарға айналды.
1-кесте Жартылай өткізгіш материалдың кейбір параметрлерін салыстыру
Моноклиникалықβ-Ga2O3 кристалдық құрылымы 1-кестеде көрсетілген. Оның тор параметрлеріне a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å және β = 103,8° кіреді. Бірлік ұяшық тетраэдрлік координациясы бұралған Ga(I) атомдарынан және октаэдрлік координациялы Ga(II) атомдарынан тұрады. «Бұралған текше» массивінде оттегі атомдарының үш түрлі орналасуы бар, оның ішінде екі үшбұрышты координацияланған O(I) және O(II) атомдары және бір тетраэдрлік координацияланған O(III) атомдары бар. Атомдық координацияның осы екі түрінің қосындысы физикада, химиялық коррозияда, оптикада және электроникада ерекше қасиеттері бар β-Ga2O3 анизотропиясына әкеледі.
Сурет 1 Моноклиникалық β-Ga2O3 кристалының схемалық құрылымдық диаграммасы
Энергия диапазонының теориясы тұрғысынан β-Ga2O3 өткізгіштігінің минималды мәні Ga атомының 4s0 гибридті орбитасына сәйкес келетін энергетикалық күйден алынады. Өткізгіштік зонаның минималды мәні мен вакуумдық энергия деңгейі (электрондық жақындық энергиясы) арасындағы энергия айырмашылығы өлшенеді. 4 эВ. β-Ga2O3 тиімді электронды массасы 0,28–0,33 me және оның қолайлы электрондық өткізгіштігімен өлшенеді. Алайда валенттік жолақтың максимумы өте төмен қисықтық және қатты локализацияланған O2p орбитальдары бар таяз Ek қисығын көрсетеді, бұл тесіктердің терең локализацияланғанын көрсетеді. Бұл сипаттамалар β-Ga2O3-те p-типті допингке қол жеткізу үшін үлкен қиындық тудырады. Тіпті P-типті допингке қол жеткізуге болатын болса да, μ тесігі өте төмен деңгейде қалады. 2. Көлемді галлий оксидінің монокристалының өсуі Осы уақытқа дейін β-Ga2O3 көлемді монокристалды субстратты өсіру әдісі негізінен Czochralski (CZ) сияқты кристалды тарту әдісі болып табылады, жиегі анықталған жұқа қабықпен беру әдісі (Edge -Defined пленкамен берілетін , EFG), Бридгман (тік немесе көлденең Бридгман, HB немесе VB) және қалқымалы аймақ (қалқымалы аймақ, ФЗ) технологиясы. Барлық әдістердің ішінде, Czochralski және жиегі анықталған жұқа қабықпен беру әдістері болашақта β-Ga 2O3 пластинкаларын жаппай өндірудің ең перспективалы жолдары болады деп күтілуде, өйткені олар бір уақытта үлкен көлемдер мен ақаулардың төмен тығыздығына қол жеткізе алады. Осы уақытқа дейін Жапонияның Novel Crystal Technology компаниясы β-Ga2O3 балқымасының өсуіне арналған коммерциялық матрицаны жүзеге асырды.
1.1.Чохральский әдісі
Чохральский әдісінің принципі - алдымен тұқым қабаты жабылады, содан кейін монокристалды балқымадан баяу суырып алады. Чохральски әдісі β-Ga2O3 үшін оның үнемділігіне, үлкен өлшемді мүмкіндіктеріне және жоғары кристалды сапалы субстрат өсуіне байланысты маңыздырақ. Бірақ Ga2O3 жоғары температурада өсу кезінде термиялық кернеудің әсерінен монокристалдардың, балқыма материалдарының булануы және Ir тигельінің зақымдануы орын алады. Бұл Ga2O3 құрамындағы төмен n-типті қоспаларға қол жеткізудегі қиындықтардың нәтижесі. Өсу атмосферасына оттегінің тиісті мөлшерін енгізу - бұл мәселені шешудің бір жолы. Оңтайландыру арқылы жоғары сапалы 2 дюймдік β-Ga2O3 бос электрон концентрациясы диапазоны 10^16~10^19 см-3 және максималды электрон тығыздығы 160 см2/Вс Цочральский әдісімен сәтті өсірілді.
2-сурет Чохральский әдісімен өсірілген β-Ga2O3 монокристалы
1.2 Шетімен анықталған пленканы беру әдісі
Шетімен анықталған жұқа қабықпен беру әдісі кең аумақты Ga2O3 монокристалды материалдардың коммерциялық өндірісі үшін жетекші үміткер болып саналады. Бұл әдістің принципі балқыманы капиллярлы саңылауы бар қалыпқа салу, ал балқыма капиллярлық әсер арқылы қалыпқа көтеріледі. Үстіңгі жағында жұқа қабық пайда болады және тұқымдық кристалдан кристалдануға индукцияланған кезде барлық бағытта таралады. Бұған қоса, қалып үстіңгі жиектерін үлпектерде, түтіктерде немесе кез келген қажетті геометрияда кристалдар жасау үшін басқаруға болады. Ga2O3 жиегімен анықталған жұқа пленка беру әдісі жылдам өсу қарқынын және үлкен диаметрлерді қамтамасыз етеді. 3-суретте β-Ga2O3 монокристалының диаграммасы көрсетілген. Сонымен қатар, өлшемдер ауқымы бойынша тамаша мөлдірлігі мен біркелкілігі бар 2 дюймдік және 4 дюймдік β-Ga2O3 субстраттары коммерцияланған, ал 6 дюймдік субстрат болашақ коммерцияландыру үшін зерттеулерде көрсетілген. Жақында (−201) бағдары бар үлкен дөңгелек монокристалды көлемді материалдар да қолжетімді болды. Сонымен қатар, β-Ga2O3 жиегімен анықталған пленканы беру әдісі, сонымен қатар, Ga2O3 зерттеу мен дайындауға мүмкіндік беретін өтпелі металл элементтерінің қоспалануына ықпал етеді.
Сурет 3 β-Ga2O3 монокристалы жиегі анықталған пленка беру әдісімен өсірілген
1.3 Бриджмен әдісі
Бриджмен әдісінде кристалдар температура градиенті арқылы біртіндеп қозғалатын тигельде түзіледі. Процесті көлденең немесе тік бағытта, әдетте айналмалы тигельді пайдалана отырып орындауға болады. Айта кетейік, бұл әдіс кристалды тұқымдарды қолдануы немесе пайдаланбауы мүмкін. Дәстүрлі Bridgman операторларында балқу және кристалдардың өсу процестерінің тікелей визуализациясы жоқ және температураны жоғары дәлдікпен басқаруы керек. Вертикаль Бридгман әдісі негізінен β-Ga2O3 өсуі үшін қолданылады және ауа ортасында өсу қабілетімен танымал. Бридгман әдісі бойынша тік өсу процесінде балқыма мен тигельдің жалпы массалық жоғалуы 1%-дан төмен сақталады, бұл аз шығынмен үлкен β-Ga2O3 монокристалдарының өсуіне мүмкіндік береді.
4-сурет Бриджмен әдісімен өсірілген β-Ga2O3 монокристалы
1.4 Қалқымалы аймақ әдісі
Қалқымалы аймақ әдісі тигель материалдарымен кристалдық ластану мәселесін шешеді және жоғары температураға төзімді инфрақызыл тигельдермен байланысты жоғары шығындарды азайтады. Бұл өсу процесі кезінде балқыманы РЖ көзінен емес, шаммен қыздыруға болады, осылайша өсу жабдығына қойылатын талаптарды жеңілдетеді. Қалқымалы аймақ әдісімен өсірілген β-Ga2O3 пішіні мен кристалдық сапасы әлі оңтайлы болмаса да, бұл әдіс жоғары таза β-Ga2O3-ті бюджетке қолайлы монокристалдарға өсірудің перспективалық әдісін ашады.
5-сурет Қалқымалы аймақ әдісімен өсірілген β-Ga2O3 монокристалы.
Хабарлама уақыты: 30 мамыр 2024 ж