Oksidi ya Galliamu kioo kimoja na teknolojia ya ukuaji wa epitaxial

Semiconductors za bandgap pana (WBG) zinazowakilishwa na silicon carbide (SiC) na gallium nitride (GaN) zimepokea uangalizi mkubwa. Watu wana matarajio makubwa kwa matarajio ya matumizi ya silicon carbudi katika magari ya umeme na gridi za umeme, pamoja na matarajio ya matumizi ya nitridi ya gallium katika kuchaji haraka. Katika miaka ya hivi karibuni, utafiti juu ya Ga2O3, AlN na nyenzo za almasi umepata maendeleo makubwa, na kufanya nyenzo za semiconductor za upana wa juu kuwa lengo la tahadhari. Miongoni mwao, oksidi ya gallium (Ga2O3) ni nyenzo inayoibuka ya semicondukta ya upana-pana yenye pengo la bendi ya 4.8 eV, nguvu ya kinadharia muhimu ya mgawanyiko wa takriban 8 MV cm-1, kasi ya kueneza ya takriban 2E7cm s-1, na hali ya juu ya ubora wa Baliga ya 3000, ikipokea umakini mkubwa katika uwanja wa voltage ya juu na masafa ya juu. umeme wa umeme.

1. Tabia za nyenzo za oksidi ya Galliamu

Ga2O3 ina pengo kubwa la bendi (4.8 eV), inatarajiwa kufikia uwezo wa juu wa kuhimili voltage na nguvu ya juu, na inaweza kuwa na uwezo wa kubadilika kwa voltage ya juu kwa upinzani mdogo, na kuzifanya kuwa lengo la utafiti wa sasa. Kwa kuongeza, Ga2O3 sio tu ina mali bora ya nyenzo, lakini pia hutoa aina mbalimbali za teknolojia za doping zinazoweza kubadilishwa kwa urahisi, pamoja na ukuaji wa substrate ya gharama nafuu na teknolojia za epitaxy. Hadi sasa, awamu tano tofauti za fuwele zimegunduliwa katika Ga2O3, ikiwa ni pamoja na corundum (α), monoclinic (β), mbovu spinel (γ), cubic (δ) na orthorhombic (ɛ) awamu. Uthabiti wa halijoto ni, kwa mpangilio, γ, δ, α, ɛ, na β. Ni vyema kutambua kwamba monoclinic β-Ga2O3 ndiyo imara zaidi, hasa katika joto la juu, wakati awamu nyingine ni metastable juu ya joto la kawaida na huwa na mabadiliko katika awamu ya β chini ya hali maalum ya joto. Kwa hiyo, maendeleo ya vifaa vya msingi vya β-Ga2O3 imekuwa lengo kuu katika uwanja wa umeme wa umeme katika miaka ya hivi karibuni.

Jedwali 1 Ulinganisho wa baadhi ya vigezo vya nyenzo za semiconductor

Muundo wa kioo wa monoclinicβ-Ga2O3 umeonyeshwa katika Jedwali 1. Vigezo vyake vya kimiani ni pamoja na = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, na β = 103.8 °. Kiini kiini kinajumuisha atomi za Ga(I) zilizo na uratibu wa tetrahedral iliyopotoka na atomi za Ga(II) zenye uratibu wa oktahedral. Kuna mipangilio mitatu tofauti ya atomi za oksijeni katika safu ya "mchemraba uliosokotwa", ikijumuisha atomi mbili za O(I) na O(II) zilizoratibiwa kwa utatu na atomi moja ya O(III) iliyoratibiwa kwa utetrahedrali. Mchanganyiko wa aina hizi mbili za uratibu wa atomiki husababisha anisotropy ya β-Ga2O3 yenye sifa maalum katika fizikia, kutu kwa kemikali, optics na umeme.

Mchoro wa 1 Mchoro wa muundo wa kimuundo wa kioo cha monoclinic β-Ga2O3

Kwa mtazamo wa nadharia ya bendi ya nishati, thamani ya chini ya bendi ya upitishaji ya β-Ga2O3 inatokana na hali ya nishati inayolingana na obiti mseto ya 4s0 ya atomi ya Ga. Tofauti ya nishati kati ya thamani ya chini ya bendi ya upitishaji na kiwango cha nishati ya utupu (nishati ya mshikamano wa elektroni) hupimwa. ni 4 eV. Uzito wa elektroni unaofaa wa β-Ga2O3 hupimwa kama 0.28-0.33 me na upitishaji wake mzuri wa kielektroniki. Hata hivyo, kiwango cha juu cha bendi ya valence kinaonyesha mkunjo wa Ek usio na kina na mpindano wa chini sana na obiti za O2p zilizojanibishwa sana, na hivyo kupendekeza kwamba mashimo yamejanibishwa kwa undani. Sifa hizi huleta changamoto kubwa kufikia doping ya aina ya p katika β-Ga2O3. Hata ikiwa doping ya aina ya P inaweza kupatikana, shimo μ inabaki katika kiwango cha chini sana. 2. Ukuaji wa wingi wa galliamu oksidi fuwele moja Kufikia sasa, mbinu ya ukuaji ya β-Ga2O3 kwa wingi sehemu ndogo ya fuwele ni mbinu ya kuvuta fuwele, kama vile Czochralski (CZ), mbinu ya kulisha filamu nyembamba iliyofafanuliwa kwa makali (Edge -Defined film-fed , EFG), Bridgman (wima au mlalo Bridgman, HB au VB) na ukanda wa kuelea (unaoelea zone, FZ) teknolojia. Miongoni mwa mbinu zote, Czochralski na mbinu za ulishaji wa filamu nyembamba zinazojulikana kwa makali zinatarajiwa kuwa njia za kuahidi zaidi kwa ajili ya uzalishaji wa wingi wa kaki za β-Ga 2O3 katika siku zijazo, kwani zinaweza kufikia kiasi kikubwa na msongamano mdogo wa kasoro kwa wakati mmoja. Kufikia sasa, Teknolojia ya Riwaya ya Crystal ya Japani imegundua muundo wa kibiashara wa kuyeyusha ukuaji wa β-Ga2O3.

1.1 Mbinu ya Czochralski

Kanuni ya njia ya Czochralski ni kwamba safu ya mbegu inafunikwa kwanza, na kisha kioo kimoja hutolewa polepole kutoka kwenye kuyeyuka. Mbinu ya Czochralski inazidi kuwa muhimu kwa β-Ga2O3 kutokana na ufaafu wake wa gharama, uwezo wa ukubwa mkubwa, na ukuaji wa sehemu ndogo ya ubora wa fuwele. Hata hivyo, kutokana na mkazo wa joto wakati wa ukuaji wa juu wa joto wa Ga2O3, uvukizi wa fuwele moja, vifaa vya kuyeyuka, na uharibifu wa Ir crucible utatokea. Hii ni matokeo ya ugumu wa kufikia doping ya chini ya aina ya n katika Ga2O3. Kuleta kiasi kinachofaa cha oksijeni katika angahewa ya ukuaji ni njia mojawapo ya kutatua tatizo hili. Kupitia uboreshaji, ubora wa juu wa inchi 2 β-Ga2O3 na safu ya mkusanyiko ya elektroni isiyolipishwa ya 10^16~10^19 cm-3 na msongamano wa juu wa elektroni wa 160 cm2/Vs imekuzwa kwa mafanikio kwa mbinu ya Czochralski.

Mchoro 2 Fuwele moja ya β-Ga2O3 inayokuzwa kwa mbinu ya Czochralski

1.2 Mbinu ya kulisha filamu iliyoainishwa na makali

Mbinu iliyofafanuliwa makali ya kulisha filamu nyembamba inachukuliwa kuwa mshindani mkuu wa uzalishaji wa kibiashara wa vifaa vya eneo kubwa la Ga2O3 vya fuwele moja. Kanuni ya njia hii ni kuweka kuyeyuka katika mold na mpasuko wa capillary, na kuyeyuka huinuka kwa mold kupitia hatua ya capillary. Hapo juu, filamu nyembamba huunda na kuenea pande zote huku ikichochewa kung'aa na kioo cha mbegu. Zaidi ya hayo, kingo za sehemu ya juu ya ukungu zinaweza kudhibitiwa kutoa fuwele katika flakes, mirija, au jiometri yoyote inayotaka. Njia ya kulisha filamu nyembamba ya Ga2O3 inayojulikana kwa makali hutoa viwango vya ukuaji wa haraka na kipenyo kikubwa. Mchoro wa 3 unaonyesha mchoro wa fuwele moja ya β-Ga2O3. Kwa kuongeza, kwa upande wa ukubwa wa ukubwa, substrates za inchi 2 na 4-inch β-Ga2O3 zenye uwazi bora na usawaziko zimeuzwa, huku sehemu ndogo ya inchi 6 ikionyeshwa katika utafiti kwa ajili ya biashara ya siku zijazo. Hivi majuzi, nyenzo kubwa za duara za fuwele moja pia zimepatikana zikiwa na mwelekeo wa (−201). Kwa kuongeza, mbinu ya kulisha filamu iliyoainishwa kwa makali ya β-Ga2O3 pia inakuza upunguzaji wa vipengele vya chuma vya mpito, na kufanya utafiti na maandalizi ya Ga2O3 iwezekanavyo.

Mchoro wa 3 β-Ga2O3 fuwele moja inayokuzwa kwa njia iliyoainishwa ya kulisha filamu

1.3 Mbinu ya Bridgeman

Katika njia ya Bridgeman, fuwele huundwa katika crucible ambayo huhamishwa hatua kwa hatua kupitia gradient ya joto. Mchakato unaweza kufanywa kwa mwelekeo wa usawa au wima, kwa kawaida kwa kutumia crucible inayozunguka. Ni vyema kutambua kwamba njia hii inaweza au inaweza kutumia mbegu za kioo. Waendeshaji wa jadi wa Bridgman hawana taswira ya moja kwa moja ya michakato ya kuyeyuka na ukuaji wa fuwele na lazima wadhibiti halijoto kwa usahihi wa juu. Mbinu ya wima ya Bridgman hutumiwa hasa kwa ukuaji wa β-Ga2O3 na inajulikana kwa uwezo wake wa kukua katika mazingira ya hewa. Wakati wa mchakato wa ukuaji wa njia ya wima ya Bridgman, jumla ya hasara ya wingi wa kuyeyuka na crucible huwekwa chini ya 1%, kuwezesha ukuaji wa fuwele kubwa za β-Ga2O3 na hasara ndogo.

Mchoro wa 4 Fuwele moja ya β-Ga2O3 inayokuzwa kwa mbinu ya Bridgeman

1.4 Mbinu ya eneo la kuelea

Mbinu ya eneo la kuelea hutatua tatizo la uchafuzi wa kioo kwa nyenzo za crucible na kupunguza gharama kubwa zinazohusiana na crucibles sugu ya joto la juu la infrared. Wakati wa mchakato huu wa ukuaji, kuyeyuka kunaweza kuwashwa na taa badala ya chanzo cha RF, na hivyo kurahisisha mahitaji ya vifaa vya ukuaji. Ingawa umbo na ubora wa fuwele wa β-Ga2O3 inayokuzwa kwa mbinu ya eneo linaloelea bado haijawa bora, njia hii inafungua mbinu ya kuahidi ya kukuza β-Ga2O3 ya usafi wa hali ya juu kuwa fuwele moja zinazofaa bajeti.