Цахиурын карбид (SiC) ба галлийн нитрид (GaN) -ээр илэрхийлэгддэг өргөн зурвасын хагас дамжуулагч (WBG) нь өргөн хүрээний анхаарлыг татсан. Хүмүүс цахиурын карбидыг цахилгаан машин, цахилгаан сүлжээнд ашиглах хэтийн төлөв, түүнчлэн галлиум нитридыг хурдан цэнэглэхэд ашиглах хэтийн төлөвийг хүлээдэг. Сүүлийн жилүүдэд Ga2O3, AlN болон алмазан материалын судалгаа ихээхэн ахиц дэвшил гаргаж, хэт өргөн зурвасын хагас дамжуулагч материалыг олны анхаарлын төвд байлгаж байна. Тэдгээрийн дотроос галлийн исэл (Ga2O3) нь 4.8 эВ зурвасын зөрүүтэй, онолын хувьд 8 МВ см-1 орчим, ханалтын хурд нь 2E7см с-1, болон өндөр хүчдэлийн болон өндөр давтамжийн цахилгаан электроникийн салбарт өргөнөөр анхаарал хандуулж, 3000 өндөр Baliga чанарын хүчин зүйл.
1. Галийн ислийн материалын шинж чанар
Ga2O3 нь том зурвасын зөрүүтэй (4.8 эВ) бөгөөд өндөр хүчдэлийг тэсвэрлэх чадвар, өндөр чадлын чадавхийг хоёуланг нь олж авах төлөвтэй байгаа бөгөөд харьцангуй бага эсэргүүцэлтэй үед өндөр хүчдэлд дасан зохицох чадвартай тул одоогийн судалгааны анхаарлын төвд байна. Нэмж дурдахад, Ga2O3 нь маш сайн материалын шинж чанартай төдийгүй n төрлийн хялбар тохируулгатай төрөл бүрийн допингийн технологиудаас гадна бага өртөгтэй субстратын өсөлт, эпитаксийн технологиор хангадаг. Одоогийн байдлаар Ga2O3-д корунд (α), моноклиник (β), гэмтэлтэй шпинель (γ), куб (δ) болон орторомбик (ɛ) зэрэг таван өөр талст фазыг илрүүлсэн. Термодинамик тогтворжилт нь γ, δ, α, ɛ, β гэсэн дарааллаар байна. Моноклиник β-Ga2O3 нь ялангуяа өндөр температурт хамгийн тогтвортой байдаг бол бусад фазууд нь өрөөний температураас дээш метаставтай бөгөөд тодорхой дулааны нөхцөлд β фаз руу шилжих хандлагатай байдаг гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Тиймээс сүүлийн жилүүдэд β-Ga2O3 дээр суурилсан төхөөрөмжүүдийг хөгжүүлэх нь эрчим хүчний электроникийн салбарт ихээхэн анхаарал хандуулж байна.
Хүснэгт 1 Хагас дамжуулагч материалын зарим үзүүлэлтүүдийн харьцуулалт
Моноклиникβ-Ga2O3-ийн болор бүтцийг 1-р хүснэгтэд үзүүлэв. Түүний торны параметрүүд нь a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, β = 103.8 ° байна. Нэгж эс нь эрчилсэн тетраэдр зохицуулалттай Ga(I) атом, октаэдр зохицуулалттай Ga(II) атомуудаас бүрдэнэ. "Эрчилсэн куб" массив дахь хүчилтөрөгчийн атомын гурван өөр зохион байгуулалт байдаг бөгөөд үүнд гурвалжин хэлбэртэй хоёр O(I) ба O(II) атом, нэг тетраэдр зохицуулалттай O(III) атом орно. Эдгээр хоёр төрлийн атомын зохицуулалтын хослол нь физик, химийн зэврэлт, оптик, электроникийн тусгай шинж чанартай β-Ga2O3-ийн анизотропид хүргэдэг.
Зураг 1 Моноклиник β-Ga2O3 болорын бүдүүвч бүтцийн диаграмм
Энергийн зурвасын онолын үүднээс авч үзвэл β-Ga2O3-ийн дамжуулах зурвасын хамгийн бага утгыг Ga атомын 4s0 эрлийз тойрог замд харгалзах энергийн төлөвөөс гаргаж авдаг. Дамжуулах зурвасын хамгийн бага утга ба вакуум энергийн түвшин (электрон ойрын энерги) хоорондын энергийн зөрүүг хэмждэг. 4 эВ байна. β-Ga2O3-ийн үр дүнтэй электрон массыг 0.28-0.33 m-ээр хэмждэг ба түүний электрон дамжуулалт таатай байна. Гэсэн хэдий ч валентын зурвасын дээд тал нь маш бага муруйлттай гүехэн Эк муруйг харуулж, хүчтэй локалчлагдсан O2p орбиталууд нь нүхнүүд гүнзгий нутагшсан болохыг харуулж байна. Эдгээр шинж чанарууд нь β-Ga2O3 дахь p төрлийн допинг хийхэд асар их сорилт үүсгэдэг. Хэдийгээр P төрлийн допинг хийх боломжтой байсан ч нүхний μ нь маш бага түвшинд хэвээр байна. 2. Бөөн галийн оксидын нэг талст өсөлт Одоогоор β-Ga2O3 задгай нэг талст субстратын өсөлтийн арга нь Czochralski (CZ), ирмэгээр тодорхойлогдсон нимгэн хальс тэжээх арга (Edge -Defined film-fed) гэх мэт голчлон талст татах арга юм. , EFG), Bridgman (rtical or Horizontal Bridgman, HB or VB) болон хөвөгч бүс (хөвөгч бүс, FZ) технологи. Бүх аргуудын дотроос Czochralski болон ирмэгээр тодорхойлогддог нимгэн хальсан тэжээлийн аргууд нь ирээдүйд β-Ga 2O3 ялтсуудыг бөөнөөр үйлдвэрлэх хамгийн ирээдүйтэй арга зам байх болно, учир нь тэд нэгэн зэрэг их хэмжээний эзэлхүүнтэй, бага согогтой нягтралд хүрэх боломжтой. Өнөөг хүртэл Японы "Новел Кристал Технологи" нь хайлмал β-Ga2O3 өсөлтийн арилжааны матрицыг хэрэгжүүлсэн.
2.1 Чехральскийн арга
Чочральскийн аргын зарчим нь эхлээд үрийн давхаргыг хучиж, дараа нь дан болорыг хайлмалаас аажим аажмаар гаргаж авдаг. β-Ga2O3-ийн хувьд Czochralski арга нь өртөг хэмнэлттэй, том хэмжээний багтаамжтай, өндөр талст чанарын субстратын өсөлтөөс шалтгаалан улам бүр чухал болж байна. Гэсэн хэдий ч Ga2O3-ийн өндөр температурт өсөлтийн үед дулааны стрессийн улмаас дан талстууд, хайлмал материалууд уурших, Ir тигель гэмтэх болно. Энэ нь Ga2O3-д бага n төрлийн допинг авахад хүндрэлтэй байсны үр дүн юм. Өсөлтийн агаар мандалд зохих хэмжээний хүчилтөрөгч оруулах нь энэ асуудлыг шийдэх нэг арга юм. Оновчлолын тусламжтайгаар 10^16~10^19 см-3 чөлөөт электрон концентрацийн мужтай, хамгийн их электрон нягт нь 160 см2/Вс өндөр чанартай 2 инчийн β-Ga2O3-ийг Czochralski аргаар амжилттай ургуулсан.
Зураг 2 Чохральскийн аргаар ургуулсан β-Ga2O3-ийн нэг талст.
2.2 Ирмэгээр тодорхойлсон хальсыг тэжээх арга
Ирмэгээр тодорхойлогдсон нимгэн хальсаар тэжээх арга нь том талбай бүхий Ga2O3 дан болор материалын арилжааны үйлдвэрлэлийн тэргүүлэх өрсөлдөгч гэж тооцогддог. Энэ аргын зарчим нь хайлмалыг хялгасан нүхтэй хэвэнд хийж, хайлмал нь хялгасан судасны үйлчлэлээр хөгц рүү дээшлэх явдал юм. Дээд талд нь нимгэн хальс үүсч, бүх чиглэлд тархаж, үрийн талстаар талсжих болно. Нэмж дурдахад хэвний оройн ирмэгийг хянуулж, ширхэг, хоолой эсвэл хүссэн геометрийн талстыг гаргаж авах боломжтой. Га2O3-ийн ирмэгээр тодорхойлогдсон нимгэн хальсыг тэжээх арга нь хурдан өсөлтийн хурд, том диаметрийг хангадаг. Зураг 3-т β-Ga2O3 дан болорын диаграммыг үзүүлэв. Нэмж дурдахад, хэмжээсийн хувьд маш сайн тунгалаг, жигд байдал бүхий 2 инч ба 4 инчийн β-Ga2O3 субстратыг худалдаанд нэвтрүүлсэн бол 6 инчийн субстратыг ирээдүйд худалдаанд оруулах судалгаанд харуулжээ. Сүүлийн үед (−201) чиг баримжаатай том дугуй хэлбэртэй нэг болор задгай материалыг ашиглах боломжтой болсон. Нэмж дурдахад, β-Ga2O3 ирмэгээр тодорхойлогддог хальсыг тэжээх арга нь шилжилтийн металлын элементүүдийг допинг хийхийг дэмжиж, Ga2O3-ийг судлах, бэлтгэх боломжтой болгодог.
Зураг 3 β-Ga2O3 дан болор ирмэгээр тодорхойлогдсон хальс тэжээх аргаар ургуулсан
2.3 Бриджмэний арга
Бриджманы аргад талстууд нь температурын градиентаар аажмаар хөдөлдөг тигелд үүсдэг. Уг процессыг ихэвчлэн эргэдэг тигель ашиглан хэвтээ эсвэл босоо чиглэлд хийж болно. Энэ арга нь болор үрийг ашиглах эсвэл ашиглахгүй гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Уламжлалт Бриджмен операторууд хайлах болон талст өсөлтийн үйл явцыг шууд дүрслэн харуулах чадваргүй тул температурыг өндөр нарийвчлалтайгаар хянах ёстой. Бриджманы босоо аргыг голчлон β-Ga2O3-ийн өсөлтөд ашигладаг бөгөөд агаарын орчинд ургах чадвараараа алдартай. Босоо Бриджманы аргын өсөлтийн явцад хайлмал болон тигелийн нийт массын алдагдлыг 1% -иас бага байлгах нь хамгийн бага алдагдалтай том β-Ga2O3 дан талстыг ургуулах боломжийг олгодог.
Зураг 4 Бриджманы аргаар ургуулсан β-Ga2O3-ийн дан талст
2.4 Хөвөгч бүсийн арга
Хөвөгч бүсийн арга нь тигель материалаар болор бохирдох асуудлыг шийдэж, өндөр температурт тэсвэртэй хэт улаан туяаны тигельтэй холбоотой өндөр зардлыг бууруулдаг. Энэ өсөлтийн явцад хайлмал нь RF-ийн эх үүсвэр биш харин чийдэнгийн тусламжтайгаар халааж болох тул өсөлтийн тоног төхөөрөмжид тавигдах шаардлагыг хялбаршуулдаг. Хөвөгч бүсийн аргаар ургуулсан β-Ga2O3-ийн хэлбэр, талст чанар нь хараахан оновчтой биш байгаа ч энэ арга нь өндөр цэвэршилттэй β-Ga2O3-ыг төсөвт ээлтэй дан талст болгон өсгөх ирээдүйтэй аргыг нээж өгч байна.
Зураг 5 Хөвөгч бүсийн аргаар ургуулсан β-Ga2O3 дан талст.
Шуудангийн цаг: 2024 оны 5-р сарын 30-ны хооронд