Галлий кычкылы монокристалл жана эпитаксиалдык өсүү технологиясы

Кремний карбиди (SiC) жана галлий нитриди (GaN) менен көрсөтүлгөн кең тилкелүү (WBG) жарым өткөргүчтөр кеңири көңүл бурушту. Адамдар кремний карбидинин электр унааларында жана электр тармактарында колдонулушуна, ошондой эле галлий нитридин тез кубаттоодо колдонуу келечегине чоң үмүт артышат. Акыркы жылдары Ga2O3, AlN жана алмаз материалдары боюнча изилдөөлөр олуттуу прогресске жетишти, бул ультра кең тилкелүү жарым өткөргүч материалдарын көңүл чордонуна айлантты. Алардын ичинен галлий оксиди (Ga2O3) 4,8 эВ тилке ажырымы, теориялык критикалык бузулуу талаасынын чыңдыгы 8 МВ см-1, каныккан ылдамдыгы 2E7см с-1, жана 3000 жогорку Балига сапат фактору, жогорку чыңалуу тармагында кеңири көңүл бурулууда жана жогорку жыштыктагы электр энергиясы.

1. Галлий кычкылынын материалынын мүнөздөмөлөрү

Ga2O3 чоң диапазонго ээ (4,8 эВ), жогорку чыңалууга жана жогорку кубаттуулукка туруштук бере алат жана салыштырмалуу аз каршылыкта жогорку чыңалууга ыңгайлашуу мүмкүнчүлүгүнө ээ болушу мүмкүн, бул аларды учурдагы изилдөөлөрдүн чордонуна айлантат. Мындан тышкары, Ga2O3 сонун материалдык касиеттерге ээ эмес, ошондой эле жеңил жөнгө салынуучу n-типтеги допинг технологияларын, ошондой эле арзан баада субстрат өстүрүү жана эпитаксия технологияларын камсыз кылат. Буга чейин Ga2O3те беш түрдүү кристалл фазалары табылган, анын ичинде корунд (α), моноклиникалык (β), бузулган шпинель (γ), куб (δ) жана орторомбдук (ɛ) фазалары. Термодинамикалык туруктуулуктар ирети менен γ, δ, α, ɛ жана β. Белгилей кетчү нерсе, моноклиникалык β-Ga2O3 өзгөчө жогорку температурада эң туруктуу, ал эми башка фазалар бөлмө температурасынан жогору метастабилдүү жана өзгөчө жылуулук шарттарында β фазасына айланышы тенденциясына ээ. Ошондуктан, β-Ga2O3 негизинде түзүлүштөрдү иштеп чыгуу акыркы жылдары электр электроника тармагында негизги багыт болуп калды.

1-таблица Жарым өткөргүч материалдын кээ бир параметрлерин салыштыруу

Моноклиникалыкβ-Ga2O3тин кристаллдык структурасы 1-таблицада көрсөтүлгөн. Анын торчо параметрлерине a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å жана β = 103,8° кирет. Бирдик клетка ийилген тетраэдрдик координациялуу Ga(I) атомдордон жана октаэдрдик координациялуу Ga(II) атомдордон турат. Эки үч бурчтуу координацияланган O(I) жана O(II) атомдорун жана бир тетраэдрдик координацияланган O(III) атомун камтыган “бурулган куб” массивинде кычкылтек атомдорунун үч түрдүү түзүлүштөрү бар. Атомдук координациянын бул эки түрүнүн айкалышы физикада, химиялык коррозияда, оптикада жана электроникада өзгөчө касиеттерге ээ β-Ga2O3 анизотропиясына алып келет.

Сүрөт 1 Моноклиникалык β-Ga2O3 кристаллынын схемалык структуралык диаграммасы

Энергетикалык тилке теориясынын көз карашынан алганда, β-Ga2O3 өткөргүч тилкесинин минималдуу мааниси Ga атомунун 4s0 гибриддик орбитасына туура келген энергетикалык абалдан алынат. Жүргүзүү тилкесинин минималдуу мааниси менен вакуумдук энергия деңгээлинин ортосундагы энергия айырмасы (электрондук жакындык энергиясы) өлчөнөт. 4 эВ. β-Ga2O3 эффективдүү электрон массасы 0,28–0,33 me жана анын жагымдуу электрондук өткөргүчтүгү менен өлчөнөт. Бирок, валенттүүлүк тилкесинин максимуму өтө төмөн ийриликтүү жана катуу локализацияланган O2p орбиталдары менен тайыз Эк ийри сызыгын көрсөтөт, бул тешиктердин терең локализацияланганын көрсөтүп турат. Бул мүнөздөмөлөр β-Ga2O3 менен p-типтеги допингге жетүү үчүн чоң кыйынчылыкты жаратат. P-тибиндеги допингге жетишүү мүмкүн болсо да, тешик μ өтө төмөн деңгээлде кала берет. 2. жапырт галлий кычкылы бир кристалл өсүшү Буга чейин, β-Ga2O3 жапырт бир кристалл субстрат өсүү ыкмасы негизинен кристалл тартуу ыкмасы болуп саналат, мисалы, Czochralski (CZ), чети аныкталган жука пленка менен азыктандыруу ыкмасы (Edge -Defined тасмасы менен азыктанган) , EFG), Бридгман (rtical же горизонталдуу Бридгман, HB же VB) жана сүзүүчү зона (сүзүүчү зона, ФЗ) технологиясы. Бардык ыкмалардын ичинен Czochralski жана чети аныкталган жука пленка менен азыктандыруу ыкмалары келечекте β-Ga 2O3 пластинкаларын массалык түрдө чыгаруунун эң келечектүү жолдору болушу күтүлүүдө, анткени алар бир эле учурда чоң көлөмгө жана кемчиликтин төмөн тыгыздыгына жетише алат. Ушул убакка чейин Япониянын "Новел Кристалл Технологиясы" эритинди өстүрүүчү β-Ga2O3 үчүн коммерциялык матрицаны ишке ашырган.

1.1 Чохральский методу

Цочральскийдин ыкмасынын принциби: урук катмары адегенде жабылат, андан кийин монокристалл эритмеден акырындап сууруп алынат. Czochralski ыкмасы β-Ga2O3 үчүн анын экономикалык натыйжалуулугу, чоң өлчөмдөгү мүмкүнчүлүктөрү жана кристаллдык сапаты жогору субстраттын өсүшү үчүн барган сайын маанилүү. Бирок Ga2O3 жогорку температурада өскөндө термикалык стресстен монокристаллдардын, эриген материалдардын бууланышы жана Ir тигелинин бузулушу пайда болот. Бул Ga2O3 аз n-тип допинг жетишүү кыйынчылык натыйжасы болуп саналат. Өсүү атмосферасына кычкылтектин тиешелүү көлөмүн киргизүү бул көйгөйдү чечүүнүн бир жолу. Оптималдаштыруу аркылуу жогорку сапаттагы 2 дюймдук β-Ga2O3 эркин электрон концентрациясынын диапазону 10 ^ 16 ~ 10 ^ 19 см-3 жана максималдуу электрон тыгыздыгы 160 см2 / Vs менен Czochralski ыкмасы менен ийгиликтүү өстүрүлдү.

2-сүрөт β-Ga2O3 монокристалы Чохральский ыкмасы менен өстүрүлгөн

1.2 Edge аныкталган тасма азыктандыруу ыкмасы

Четинен аныкталган жука пленка менен азыктандыруу ыкмасы чоң аянты Ga2O3 монокристаллдык материалдарды коммерциялык өндүрүү үчүн алдыңкы атаандаш болуп эсептелет. Бул ыкманын принциби эритмени капиллярдык тешик бар калыпка салуу жана эритме капиллярдык аракет аркылуу калыпка көтөрүлөт. Үстүндө жука пленка пайда болуп, урук кристаллында кристаллдашуу үчүн бардык багыттар боюнча тарайт. Кошумчалай кетсек, калыптын үстүнкү четтери үлүштөрдө, түтүктөрдө же каалаган геометрияда кристаллдарды өндүрүү үчүн башкарылышы мүмкүн. Ga2O3 четинен аныкталган жука пленка менен азыктандыруу ыкмасы тез өсүү темптерин жана чоң диаметрлерди камсыз кылат. 3-сүрөттө β-Ga2O3 монокристаллынын диаграммасы көрсөтүлгөн. Мындан тышкары, өлчөмдөрдүн масштабы боюнча, 2 дюймдук жана 4 дюймдук β-Ga2O3 субстраттары эң сонун ачык-айкындуулукка жана бирдейликке ээ, ал эми 6 дюймдук субстрат келечекте коммерциялаштыруу үчүн изилдөөдө көрсөтүлгөн. Жакында, чоң тегерек монокристаллдуу жапырт материалдар (−201) багыты менен жеткиликтүү болуп калды. Мындан тышкары, β-Ga2O3 четинен аныкталган тасманы азыктандыруу ыкмасы да өткөөл металл элементтерин допингге өбөлгө түзөт, Ga2O3 изилдөө жана даярдоо мүмкүн.

3-сүрөт β-Ga2O3 монокристаллынын четинен аныкталган пленканы берүү ыкмасы менен өстүрүлгөн

1.3 Бриджмен ыкмасы

Бриджмен методунда кристаллдар температура градиенти аркылуу акырындык менен жылдырылуучу тигелде түзүлөт. Процесс горизонталдык же вертикалдык багытта аткарылышы мүмкүн, адатта айлануучу тигельди колдонуу менен. Белгилей кетсек, бул ыкма кристалл уруктарын колдонушу мүмкүн же колдонбошу мүмкүн. Салттуу Бридгмен операторлору эрүү жана кристалл өсүү процесстерин түздөн-түз визуализациялоого жетишпейт жана температураны жогорку тактык менен көзөмөлдөшү керек. Вертикалдуу Бридгмен ыкмасы негизинен β-Ga2O3 өсүшү үчүн колдонулат жана аба чөйрөсүндө өсүү жөндөмдүүлүгү менен белгилүү. Бридгмендин вертикалдуу ыкмасы боюнча өсүү процессинде эритме менен тигелдин жалпы массасынын жоготуусу 1%дан төмөн кармалып, чоң β-Ga2O3 монокристаллдарынын минималдуу жоготуу менен өсүшүнө шарт түзөт.

Сүрөт 4 Бриджмен ыкмасы менен өстүрүлгөн β-Ga2O3 монокристалл

1.4 Калкыма зона ыкмасы

Калкыма зонанын ыкмасы тигель материалдары менен кристаллдын булгануу маселесин чечет жана жогорку температурага туруктуу инфракызыл тигелдер менен байланышкан жогорку чыгымдарды азайтат. Бул өсүү процессинде эритинди RF булагы эмес, лампа менен ысытса болот, ошентип өсүү жабдыктарына коюлган талаптарды жөнөкөйлөтөт. Калкыма зона ыкмасы менен өстүрүлгөн β-Ga2O3 формасы жана кристаллдык сапаты али оптималдуу эмес болсо да, бул ыкма жогорку тазалыктагы β-Ga2O3ти бюджетке ылайыктуу монокристаллдарга өстүрүү үчүн келечектүү ыкманы ачат.