காலியம் ஆக்சைடு ஒற்றை படிக மற்றும் எபிடாக்சியல் வளர்ச்சி தொழில்நுட்பம்

சிலிக்கான் கார்பைடு (SiC) மற்றும் காலியம் நைட்ரைடு (GaN) ஆகியவற்றால் குறிப்பிடப்படும் பரந்த பேண்ட்கேப் (WBG) குறைக்கடத்திகள் பரவலான கவனத்தைப் பெற்றுள்ளன. மின்சார வாகனங்கள் மற்றும் பவர் கிரிட்களில் சிலிக்கான் கார்பைட்டின் பயன்பாட்டு வாய்ப்புகள் மற்றும் வேகமான சார்ஜிங்கில் காலியம் நைட்ரைட்டின் பயன்பாட்டு வாய்ப்புகள் குறித்து மக்கள் அதிக எதிர்பார்ப்புகளைக் கொண்டுள்ளனர். சமீபத்திய ஆண்டுகளில், Ga2O3, AlN மற்றும் வைரப் பொருட்கள் மீதான ஆராய்ச்சி குறிப்பிடத்தக்க முன்னேற்றம் அடைந்துள்ளது, அல்ட்ரா-வைட் பேண்ட்கேப் குறைக்கடத்தி பொருட்களை கவனத்தின் மையமாக மாற்றுகிறது. அவற்றுள், காலியம் ஆக்சைடு (Ga2O3) என்பது 4.8 eV இன் பேண்ட் இடைவெளியைக் கொண்ட ஒரு வளர்ந்து வரும் அல்ட்ரா-வைட்-பேண்ட்கேப் செமிகண்டக்டர் பொருளாகும், இது சுமார் 8 MV செ.மீ-1, ஒரு செறிவு வேகம் சுமார் 2E7cm s-1, மற்றும் உயர் பாலிகா தரக் காரணி 3000, உயர் மின்னழுத்தம் மற்றும் உயர் அதிர்வெண் மின்னியல் துறையில் பரவலான கவனத்தைப் பெறுகிறது.

1. காலியம் ஆக்சைடு பொருள் பண்புகள்
Ga2O3 ஒரு பெரிய பேண்ட் இடைவெளியைக் கொண்டுள்ளது (4.8 eV), உயர் தாங்கும் மின்னழுத்தம் மற்றும் உயர் ஆற்றல் திறன் ஆகிய இரண்டையும் அடையும் என்று எதிர்பார்க்கப்படுகிறது, மேலும் ஒப்பீட்டளவில் குறைந்த எதிர்ப்பில் உயர் மின்னழுத்தத் தகவமைப்புக்கான திறனைக் கொண்டிருக்கலாம், இது தற்போதைய ஆராய்ச்சியின் மையமாக உள்ளது. கூடுதலாக, Ga2O3 சிறந்த பொருள் பண்புகளைக் கொண்டிருப்பது மட்டுமல்லாமல், எளிதில் சரிசெய்யக்கூடிய n-வகை ஊக்கமருந்து தொழில்நுட்பங்களையும், அதே போல் குறைந்த விலை அடி மூலக்கூறு வளர்ச்சி மற்றும் எபிடாக்ஸி தொழில்நுட்பங்களையும் வழங்குகிறது. இதுவரை, Ga2O3 இல் ஐந்து வெவ்வேறு படிக கட்டங்கள் கண்டுபிடிக்கப்பட்டுள்ளன, இதில் கொருண்டம் (α), மோனோக்ளினிக் (β), குறைபாடுள்ள ஸ்பைனல் (γ), க்யூபிக் (δ) மற்றும் ஆர்த்தோர்ஹோம்பிக் (ɛ) கட்டங்கள் அடங்கும். தெர்மோடைனமிக் நிலைப்புத்தன்மைகள் வரிசையில், γ, δ, α, ɛ மற்றும் β ஆகும். மோனோக்ளினிக் β-Ga2O3 மிகவும் நிலையானது, குறிப்பாக அதிக வெப்பநிலையில், மற்ற கட்டங்கள் அறை வெப்பநிலையை விட மெட்டாஸ்டேபிள் மற்றும் குறிப்பிட்ட வெப்ப நிலைகளின் கீழ் β கட்டமாக மாற்ற முனைகின்றன என்பது குறிப்பிடத்தக்கது. எனவே, β-Ga2O3-அடிப்படையிலான சாதனங்களின் வளர்ச்சி சமீபத்திய ஆண்டுகளில் ஆற்றல் மின்னணுவியல் துறையில் முக்கிய கவனம் செலுத்துகிறது.

அட்டவணை 1 சில குறைக்கடத்தி பொருள் அளவுருக்கள் ஒப்பீடு

மோனோக்ளினிக்β-Ga2O3 இன் படிக அமைப்பு அட்டவணை 1 இல் காட்டப்பட்டுள்ளது. அதன் லேட்டிஸ் அளவுருக்கள் a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å மற்றும் β = 103.8° ஆகியவை அடங்கும். அலகுக் கலமானது முறுக்கப்பட்ட டெட்ராஹெட்ரல் ஒருங்கிணைப்புடன் Ga(I) அணுக்களையும் எண்முக ஒருங்கிணைப்புடன் Ga(II) அணுக்களையும் கொண்டுள்ளது. "முறுக்கப்பட்ட கன" வரிசையில் ஆக்ஸிஜன் அணுக்களின் மூன்று வெவ்வேறு ஏற்பாடுகள் உள்ளன, இதில் இரண்டு முக்கோணமாக ஒருங்கிணைக்கப்பட்ட O(I) மற்றும் O(II) அணுக்கள் மற்றும் ஒரு டெட்ராஹெட்ரல் ஒருங்கிணைக்கப்பட்ட O(III) அணு ஆகியவை அடங்கும். இந்த இரண்டு வகையான அணு ஒருங்கிணைப்புகளின் கலவையானது இயற்பியல், இரசாயன அரிப்பு, ஒளியியல் மற்றும் மின்னணுவியல் ஆகியவற்றில் சிறப்பு பண்புகளுடன் β-Ga2O3 இன் அனிசோட்ரோபிக்கு வழிவகுக்கிறது.

படம் 1 மோனோக்ளினிக் β-Ga2O3 படிகத்தின் திட்டவட்டமான கட்டமைப்பு வரைபடம்

ஆற்றல் இசைக்குழு கோட்பாட்டின் கண்ணோட்டத்தில், β-Ga2O3 இன் கடத்தல் பட்டையின் குறைந்தபட்ச மதிப்பு Ga அணுவின் 4s0 கலப்பின சுற்றுப்பாதையுடன் தொடர்புடைய ஆற்றல் நிலையில் இருந்து பெறப்படுகிறது. கடத்தல் பட்டையின் குறைந்தபட்ச மதிப்பு மற்றும் வெற்றிட ஆற்றல் நிலை (எலக்ட்ரான் இணைப்பு ஆற்றல்) ஆகியவற்றுக்கு இடையேயான ஆற்றல் வேறுபாடு அளவிடப்படுகிறது. 4 eV ஆகும். β-Ga2O3 இன் பயனுள்ள எலக்ட்ரான் நிறை 0.28–0.33 மீ மற்றும் அதன் சாதகமான மின்னணு கடத்துத்திறன் என அளவிடப்படுகிறது. இருப்பினும், வேலன்ஸ் பேண்ட் அதிகபட்சமானது, மிகக் குறைந்த வளைவு மற்றும் வலுவாக உள்ளூர்மயமாக்கப்பட்ட O2p சுற்றுப்பாதைகளுடன் ஆழமற்ற Ek வளைவை வெளிப்படுத்துகிறது, இது துளைகள் ஆழமாக உள்ளூர்மயமாக்கப்பட்டதாகக் கூறுகிறது. இந்த குணாதிசயங்கள் β-Ga2O3 இல் p-வகை ஊக்கமருந்துகளை அடைவதற்கு பெரும் சவாலாக உள்ளது. P-வகை ஊக்கமருந்து அடைய முடிந்தாலும், துளை μ மிகக் குறைந்த அளவில் இருக்கும். 2. மொத்த கேலியம் ஆக்சைடு ஒற்றைப் படிகத்தின் வளர்ச்சி இதுவரை, β-Ga2O3 மொத்த ஒற்றைப் படிக அடி மூலக்கூறின் வளர்ச்சி முறை முக்கியமாக படிக இழுக்கும் முறையாகும், அதாவது Czochralski (CZ), விளிம்பில் வரையறுக்கப்பட்ட மெல்லிய பட உணவு முறை (Edge -Defined film-fed , EFG), பிரிட்ஜ்மேன் (ஆர்டிகல் அல்லது கிடைமட்ட பிரிட்ஜ்மேன், HB அல்லது VB) மற்றும் மிதக்கும் மண்டலம் (மிதக்கும் மண்டலம், FZ) தொழில்நுட்பம். அனைத்து முறைகளிலும், Czochralski மற்றும் விளிம்பில் வரையறுக்கப்பட்ட மெல்லிய-பட உணவு முறைகள் எதிர்காலத்தில் β-Ga 2O3 செதில்களின் வெகுஜன உற்பத்திக்கு மிகவும் நம்பிக்கைக்குரிய வழிகளாக இருக்கும் என்று எதிர்பார்க்கப்படுகிறது, ஏனெனில் அவை ஒரே நேரத்தில் பெரிய அளவுகள் மற்றும் குறைந்த குறைபாடு அடர்த்தியை அடைய முடியும். இப்போது வரை, ஜப்பானின் நாவல் கிரிஸ்டல் டெக்னாலஜி β-Ga2O3 உருகு வளர்ச்சிக்கான வணிக மேட்ரிக்ஸை உணர்ந்துள்ளது.

2.1 சோக்ரால்ஸ்கி முறை
Czochralski முறையின் கொள்கை என்னவென்றால், விதை அடுக்கு முதலில் மூடப்பட்டிருக்கும், பின்னர் ஒற்றை படிகமானது மெதுவாக உருகியதிலிருந்து வெளியே இழுக்கப்படுகிறது. Czochralski முறையானது β-Ga2O3 க்கு அதன் செலவு-செயல்திறன், பெரிய அளவு திறன்கள் மற்றும் உயர் படிகத் தரமான அடி மூலக்கூறு வளர்ச்சி காரணமாக அதிக முக்கியத்துவம் வாய்ந்தது. இருப்பினும், Ga2O3 இன் உயர் வெப்பநிலை வளர்ச்சியின் போது வெப்ப அழுத்தத்தின் காரணமாக, ஒற்றை படிகங்களின் ஆவியாதல், உருகும் பொருட்கள் மற்றும் Ir க்ரூசிபில் சேதம் ஏற்படும். இது Ga2O3 இல் குறைந்த n-வகை ஊக்கமருந்துகளை அடைவதில் உள்ள சிரமத்தின் விளைவாகும். வளர்ச்சி வளிமண்டலத்தில் பொருத்தமான அளவு ஆக்ஸிஜனை அறிமுகப்படுத்துவது இந்த சிக்கலை தீர்க்க ஒரு வழியாகும். தேர்வுமுறை மூலம், உயர்தர 2-இன்ச் β-Ga2O3 இலவச எலக்ட்ரான் செறிவு வரம்பு 10^16~10^19 செ.மீ-3 மற்றும் அதிகபட்ச எலக்ட்ரான் அடர்த்தி 160 செ.மீ2/வி.க்கள் செக்ரோல்ஸ்கி முறையில் வெற்றிகரமாக வளர்க்கப்பட்டது.

படம் 2 க்சோக்ரால்ஸ்கி முறையில் வளர்க்கப்பட்ட β-Ga2O3 ஒற்றைப் படிகம்

2.2 எட்ஜ்-வரையறுக்கப்பட்ட திரைப்பட உணவு முறை
விளிம்பு-வரையறுக்கப்பட்ட மெல்லிய பட உணவு முறையானது பெரிய பகுதி Ga2O3 ஒற்றைப் படிகப் பொருட்களின் வணிகத் தயாரிப்புக்கான முன்னணிப் போட்டியாளராகக் கருதப்படுகிறது. இந்த முறையின் கொள்கை என்னவென்றால், உருகுவதை ஒரு தந்துகி பிளவுடன் ஒரு அச்சுக்குள் வைப்பது, மேலும் உருகுவது தந்துகி நடவடிக்கை மூலம் அச்சுக்கு உயர்கிறது. விதை படிகத்தால் படிகமாக்க தூண்டப்படும் போது மேலே, ஒரு மெல்லிய படலம் உருவாகி அனைத்து திசைகளிலும் பரவுகிறது. கூடுதலாக, செதில்கள், குழாய்கள் அல்லது விரும்பிய வடிவவியலில் படிகங்களை உருவாக்க அச்சு மேற்புறத்தின் விளிம்புகளைக் கட்டுப்படுத்தலாம். Ga2O3 இன் விளிம்பு-வரையறுக்கப்பட்ட மெல்லிய பட உணவு முறை வேகமான வளர்ச்சி விகிதங்களையும் பெரிய விட்டத்தையும் வழங்குகிறது. படம் 3 β-Ga2O3 ஒற்றைப் படிகத்தின் வரைபடத்தைக் காட்டுகிறது. கூடுதலாக, அளவு அளவைப் பொறுத்தவரை, சிறந்த வெளிப்படைத்தன்மை மற்றும் சீரான தன்மையுடன் 2-அங்குல மற்றும் 4-அங்குல β-Ga2O3 அடி மூலக்கூறுகள் வணிகமயமாக்கப்பட்டுள்ளன, அதே நேரத்தில் 6-அங்குல அடி மூலக்கூறு எதிர்கால வணிகமயமாக்கலுக்கான ஆராய்ச்சியில் நிரூபிக்கப்பட்டுள்ளது. சமீபத்தில், பெரிய வட்ட வடிவ ஒற்றை-படிக மொத்தப் பொருட்களும் (−201) நோக்குநிலையுடன் கிடைக்கின்றன. கூடுதலாக, β-Ga2O3 விளிம்பு-வரையறுக்கப்பட்ட ஃபிலிம் ஃபீடிங் முறையானது, மாற்றம் உலோக உறுப்புகளின் ஊக்கமருந்துகளை ஊக்குவிக்கிறது, இது Ga2O3 இன் ஆராய்ச்சி மற்றும் தயாரிப்பை சாத்தியமாக்குகிறது.

படம் 3 β-Ga2O3 ஒற்றைப் படிகமானது விளிம்பில் வரையறுக்கப்பட்ட ஃபிலிம் ஃபீடிங் முறையில் உருவாக்கப்பட்டது

2.3 பிரிட்ஜ்மேன் முறை
பிரிட்ஜ்மேன் முறையில், படிகங்கள் ஒரு சிலுவையில் உருவாகின்றன, அவை படிப்படியாக வெப்பநிலை சாய்வு வழியாக நகர்த்தப்படுகின்றன. செயல்முறை ஒரு கிடைமட்ட அல்லது செங்குத்து நோக்குநிலையில் செய்யப்படலாம், பொதுவாக ஒரு சுழலும் சிலுவையைப் பயன்படுத்தி. இந்த முறை படிக விதைகளைப் பயன்படுத்தலாம் அல்லது பயன்படுத்தாமல் இருக்கலாம் என்பது கவனிக்கத்தக்கது. பாரம்பரிய பிரிட்ஜ்மேன் ஆபரேட்டர்கள் உருகும் மற்றும் படிக வளர்ச்சி செயல்முறைகளின் நேரடி காட்சிப்படுத்தல் இல்லை மற்றும் அதிக துல்லியத்துடன் வெப்பநிலையை கட்டுப்படுத்த வேண்டும். செங்குத்து பிரிட்ஜ்மேன் முறை முக்கியமாக β-Ga2O3 இன் வளர்ச்சிக்கு பயன்படுத்தப்படுகிறது மற்றும் காற்று சூழலில் வளரும் திறனுக்காக அறியப்படுகிறது. செங்குத்து பிரிட்ஜ்மேன் முறை வளர்ச்சி செயல்பாட்டின் போது, ​​உருகும் மற்றும் சிலுவையின் மொத்த வெகுஜன இழப்பு 1% க்கும் குறைவாக வைக்கப்படுகிறது, இது பெரிய β-Ga2O3 ஒற்றை படிகங்களின் வளர்ச்சியை குறைந்தபட்ச இழப்புடன் செயல்படுத்துகிறது.

படம் 4 பிரிட்ஜ்மேன் முறையில் வளர்க்கப்பட்ட β-Ga2O3 ஒற்றைப் படிகம்

2.4 மிதக்கும் மண்டல முறை
மிதக்கும் மண்டல முறையானது க்ரூசிபிள் பொருட்களால் படிக மாசுபாட்டின் சிக்கலைத் தீர்க்கிறது மற்றும் அதிக வெப்பநிலை எதிர்ப்பு அகச்சிவப்பு சிலுவைகளுடன் தொடர்புடைய அதிக செலவுகளைக் குறைக்கிறது. இந்த வளர்ச்சி செயல்பாட்டின் போது, ​​உருகுவதை RF மூலத்தை விட ஒரு விளக்கு மூலம் சூடாக்க முடியும், இதனால் வளர்ச்சி உபகரணங்களுக்கான தேவைகளை எளிதாக்குகிறது. மிதக்கும் மண்டல முறையால் வளர்க்கப்படும் β-Ga2O3 இன் வடிவம் மற்றும் படிகத் தரம் இன்னும் உகந்ததாக இல்லை என்றாலும், இந்த முறையானது உயர்-தூய்மை β-Ga2O3 ஐ பட்ஜெட்டுக்கு ஏற்ற ஒற்றைப் படிகங்களாக வளர்ப்பதற்கான ஒரு நம்பிக்கைக்குரிய முறையைத் திறக்கிறது.

படம் 5 β-Ga2O3 ஒற்றைப் படிகமானது மிதக்கும் மண்டல முறையால் வளர்க்கப்பட்டது.