گاللىي ئوكسىد يەككە خرۇستال ۋە تۇتقاقلىق ئۆسۈش تېخنىكىسى

كرېمنىي كاربون (SiC) ۋە گاللىي نىترىد (GaN) ۋەكىللىكىدىكى كەڭ بەلۋاغ (WBG) يېرىم ئۆتكۈزگۈچ كىشىلەرنىڭ دىققىتىنى قوزغىدى. كىشىلەر ئېلېكترونلۇق ماشىنا ۋە ئېلېكتر تورىدا كرېمنىي كاربدنىڭ قوللىنىش ئىستىقبالى ، شۇنداقلا تېز توك قاچىلاشتا گاللىي نىترىدنىڭ قوللىنىش ئىستىقبالىدىن زور ئۈمىدلەرنى كۈتىدۇ. يېقىنقى يىللاردىن بۇيان ، Ga2O3 ، AlN ۋە ئالماس ماتېرىياللىرى تەتقىقاتى كۆرۈنەرلىك ئىلگىرىلەشكە ئېرىشىپ ، دەرىجىدىن تاشقىرى كەڭ بەلۋاغلىق يېرىم ئۆتكۈزگۈچ ماتېرىيالنى كىشىلەرنىڭ دىققىتىنى قوزغىدى. بۇنىڭ ئىچىدە گاللىي ئوكسىد (Ga2O3) يېڭىدىن گۈللىنىۋاتقان دەرىجىدىن تاشقىرى كەڭ بەلۋاغلىق يېرىم ئۆتكۈزگۈچ ماتېرىيال بولۇپ ، بەلۋاغ پەرقى 4.8 eV ، نەزەرىيىۋى ھالقىلىق بۇزۇلۇش مەيدانىنىڭ كۈچلۈكلىكى تەخمىنەن 8 MV cm-1 ، تويۇنۇش تېزلىكى تەخمىنەن 2E7cm s-1 ، ھەمدە يۇقىرى دەرىجىدىكى بالىگا سۈپەت ئامىلى 3000 بولۇپ ، يۇقىرى بېسىملىق ۋە يۇقىرى چاستوتىلىق ئېلېكترون ساھەسىدە كەڭ دىققەتنى تارتىدۇ.

1. گاللىي ئوكسىد ماددىسىنىڭ ئالاھىدىلىكى
Ga2O3 نىڭ كەڭ بەلۋاغ پەرقى (4.8 eV) بولۇپ ، يۇقىرى بېسىملىق بېسىم ۋە يۇقىرى قۇۋۋەت ئىقتىدارىنى قولغا كەلتۈرۈشىدىن ئۈمىد بار ، ھەمدە بىر قەدەر تۆۋەن قارشىلىقتا يۇقىرى بېسىملىق ماسلىشىش ئىقتىدارىغا ئىگە بولۇپ ، ئۇلارنى نۆۋەتتىكى تەتقىقاتنىڭ مۇھىم نۇقتىسى قىلىدۇ. ئۇنىڭدىن باشقا ، Ga2O3 ئەلا ماتېرىيال خۇسۇسىيىتىگە ئىگە بولۇپلا قالماي ، يەنە ھەرخىل ئاسان تەڭشىگىلى بولىدىغان n تىپلىق دوپپا تېخنىكىسى ، شۇنداقلا تۆۋەن تەننەرخلىق بالا ئېلېمېنتلارنىڭ ئۆسۈشى ۋە تۇتقاقلىق تېخنىكىسى بىلەن تەمىنلەيدۇ. ھازىرغا قەدەر ، Ga2O3 دە بەش خىل ئوخشىمىغان خرۇستال باسقۇچ بايقالدى ، بۇلار كورۇند (α) ، يەككە شەكىللىك (β) ، كەمتۈك پالەك (γ) ، كۇب (δ) ۋە ورتومبوم (ɛ) باسقۇچلىرىنى ئۆز ئىچىگە ئالىدۇ. تېرمودىنامىكىلىق مۇقىملىق تەرتىپ بويىچە γ, δ, α, ɛ ۋە β. دىققەت قىلىشقا ئەرزىيدىغىنى شۇكى ، يەككە شەكىللىك β-Ga2O3 ئەڭ تۇراقلىق ، بولۇپمۇ يۇقىرى تېمپېراتۇرىدا ، باشقا باسقۇچلار ئۆي تېمپېراتۇرىسىدىن يۇقىرى بولۇپ ، ئالاھىدە ئىسسىقلىق شارائىتىدا β باسقۇچقا ئۆزگىرىدۇ. شۇڭلاشقا β-Ga2O3 ئاساسىدىكى ئۈسكۈنىلەرنىڭ تەرەققىياتى يېقىنقى يىللاردىن بۇيان ئېلېكترون ساھەسىدىكى ئاساسلىق قىزىق نۇقتىغا ئايلاندى.

1-جەدۋەل بەزى يېرىم ئۆتكۈزگۈچ ماتېرىيال پارامېتىرلىرىنى سېلىشتۇرۇش

Monoclinicβ-Ga2O3 نىڭ خرۇستال قۇرۇلمىسى 1-جەدۋەلدە كۆرسىتىلدى ، ئۇنىڭ رېشاتكا پارامېتىرلىرى a = 12.21 Å ، b = 3.04 Å ، c = 5.8 Å ۋە β = 103.8 °. بىرلىك ھۈجەيرىسى گا (I) ئاتومدىن تەركىب تاپقان بولۇپ ، بۇرمىلانغان ئۈچ بۇرجەكلىك ماسلاشتۇرۇش ۋە گا (II) ئاتومدىن تەركىب تاپقان. «بۇرمىلانغان كۇب» گۇرۇپپىسىدا ئوكسىگېن ئاتومنىڭ ئوخشىمىغان ئۈچ خىل ئورۇنلاشتۇرۇشى بار ، بۇنىڭ ئىچىدە ئۈچبۇلۇڭلۇق ماسلاشتۇرۇلغان O (I) ۋە O (II) ئاتوم ۋە بىر تەرەپلىمە ماسلاشتۇرۇلغان O (III) ئاتوم بار. بۇ ئىككى خىل ئاتوم ماسلاشتۇرۇشنىڭ بىرىكىشى β-Ga2O3 نىڭ فىزىكا ، خىمىيىلىك چىرىش ، ئوپتىكا ۋە ئېلېكترون مەھسۇلاتلىرى قاتارلىق ئالاھىدە خۇسۇسىيەتلىرى بىلەن ئانتىروپولىنى كەلتۈرۈپ چىقىرىدۇ.

1-رەسىم يەككە شەكىللىك β-Ga2O3 كىرىستالنىڭ سىخېمالىق قۇرۇلما دىئاگراممىسى

ئېنېرگىيە بەلۋاغ نەزەرىيىسى نۇقتىسىدىن ئېلىپ ئېيتقاندا ، β-Ga2O3 نىڭ ئۆتكۈزگۈچ بەلۋاغنىڭ ئەڭ تۆۋەن قىممىتى گا ئاتومنىڭ 4s0 ئارىلاش ماتورلۇق ئوربىتىسىغا ماس كېلىدىغان ئېنېرگىيە ھالىتىدىن كەلگەن. ئۆتكۈزگۈچ بەلۋاغنىڭ ئەڭ تۆۋەن قىممىتى بىلەن ۋاكۇئۇم ئېنېرگىيە سەۋىيىسى (ئېلېكتروننىڭ يېقىنلىق ئېنېرگىيىسى) ئوتتۇرىسىدىكى ئېنېرگىيە پەرقى ئۆلچەم قىلىنىدۇ. is 4 eV. Electron-Ga2O3 نىڭ ئۈنۈملۈك ئېلېكترون ماسسىسى 0.28 - 0.33 مەن ۋە ئۇنىڭ پايدىلىق ئېلېكترونلۇق ئۆتكۈزۈشچانلىقى بىلەن ئۆلچىنىدۇ. قانداقلا بولمىسۇن ، ۋالېنس بەلۋاغنىڭ ئەگرى سىزىقى ئەڭ تۆۋەن ئەگرى سىزىقلىق ۋە كۈچلۈك يەرلىكلەشتۈرۈلگەن O2p ئوربېتىسى بار تېيىز Ek ئەگرى سىزىقىنى كۆرسىتىدۇ ، بۇ تۆشۈكلەرنىڭ چوڭقۇر يەرلىكلەشتۈرۈلگەنلىكىنى كۆرسىتىپ بېرىدۇ. بۇ ئالاھىدىلىكلەر β-Ga2O3 دا p تىپلىق دوپپىنى ئەمەلگە ئاشۇرۇش ئۈچۈن غايەت زور رىقابەت پەيدا قىلىدۇ. P تىپلىق دورىنى يېيىشنى ئەمەلگە ئاشۇرالىغان تەقدىردىمۇ ، تۆشۈك μ ئىنتايىن تۆۋەن سەۋىيىدە تۇرىدۇ. 2. كۆپ مىقداردىكى گاللىي ئوكسىد يەككە خرۇستالنىڭ ئۆسۈشى ھازىرغا قەدەر β-Ga2O3 توپ يەككە كرىستال ئاستىنىڭ ئۆسۈش ئۇسۇلى ئاساسلىقى خرۇستال تارتىش ئۇسۇلى ، مەسىلەن Czochralski (CZ) ، گىرۋەك ئېنىقلانغان نېپىز پەردە يېيىش ئۇسۇلى (Edge -Defined film-fed) , EFG), Bridgman (rtical or horizontal Bridgman, HB or VB) and floating zone (floating zone, FZ) technology. بارلىق ئۇسۇللار ئىچىدە ، Czochralski ۋە گىرۋەك ئېنىقلانغان نېپىز پەردە يېيىش ئۇسۇلىنىڭ كەلگۈسىدە β-Ga 2O3 ۋافېرنى تۈركۈملەپ ئىشلەپچىقىرىشتىكى ئەڭ ئۈمىدۋار يول بولۇپ قېلىشىدىن ئۈمىد بار ، چۈنكى ئۇلار بىرلا ۋاقىتتا چوڭ ھەجىم ۋە كەمتۈك زىچلىقنى ئەمەلگە ئاشۇرالايدۇ. ھازىرغا قەدەر ، ياپونىيەنىڭ رومان خرۇستال تېخنىكىسى ئېرىتىشنىڭ ئېشىشى ئۈچۈن سودا ماترىسكىسىنى ئەمەلگە ئاشۇردى β-Ga2O3.

2.1 Czochralski ئۇسۇلى
Czochralski ئۇسۇلىنىڭ پرىنسىپى ئۇرۇق قەۋىتىنى ئاۋۋال يېپىپ ، ئاندىن يەككە خرۇستال ئېرىتىشتىن ئاستا-ئاستا تارتىپ چىقىرىلىدۇ. Czochralski ئۇسۇلى cost-Ga2O3 ئۈچۈن تەننەرخ ئۈنۈمى ، چوڭ-كىچىكلىكى ۋە يۇقىرى كىرىستال سۈپىتىنىڭ ئاستىلىشى سەۋەبىدىن بارغانسېرى مۇھىم. قانداقلا بولمىسۇن ، Ga2O3 نىڭ يۇقىرى تېمپېراتۇرا ئۆسۈشىدىكى ئىسسىقلىق بېسىمى سەۋەبىدىن ، يەككە كرىستالنىڭ پارلىنىشى ، ئېرىتىلگەن ماتېرىياللار ۋە Ir كرېستكە بۇزۇلۇش ئەھۋاللىرى كۆرۈلىدۇ. بۇ Ga2O3 دىكى تۆۋەن n تىپلىق دورىنى ئىشلىتىشنى ئەمەلگە ئاشۇرۇشنىڭ قىيىنلىقىنىڭ نەتىجىسى. ئۆسۈپ يېتىلىش مۇھىتىغا مۇۋاپىق مىقداردا ئوكسىگېن كىرگۈزۈش بۇ مەسىلىنى ھەل قىلىشنىڭ بىر ئۇسۇلى. ئەلالاشتۇرۇش ئارقىلىق ، يۇقىرى سۈپەتلىك 2 دىيۇملۇق β-Ga2O3 ھەقسىز ئېلېكتروننىڭ قويۇقلۇقى 10 ^ 16 ~ 10 ^ 19 cm-3 ، ئەڭ يۇقىرى ئېلېكترون زىچلىقى 160 cm2 / Vs Czochralski ئۇسۇلى ئارقىلىق مۇۋەپپەقىيەتلىك ئۆستۈرۈلدى.

2-رەسىم Czochralski ئۇسۇلى ئارقىلىق ئۆستۈرۈلگەن β-Ga2O3 نىڭ يەككە كىرىستال

2.2 قىرغا ئېنىقلىما بېرىلگەن فىلىم بېقىش ئۇسۇلى
قىرغا ئېنىقلانغان نېپىز پەردە بېقىش ئۇسۇلى چوڭ تىپتىكى Ga2O3 يەككە خرۇستال ماتېرىياللارنىڭ سودا ئىشلەپچىقىرىشىدىكى ئاساسلىق رىقابەتچى دەپ قارىلىدۇ. بۇ خىل ئۇسۇلنىڭ پرىنسىپى قىل قان تومۇر بىلەن ئېرىتمىنى قېلىپقا قويۇش ، قىل قان تومۇر ھەرىكىتى ئارقىلىق ئېرىتىش قېلىپقا ئۆرلەيدۇ. ئۈستى تەرىپىدە ، نېپىز پەردە شەكىللىنىپ ، ھەممە تەرەپكە تارقىلىدۇ ، شۇنىڭ بىلەن بىر ۋاقىتتا ئۇرۇق كىرىستال تەرىپىدىن كىرىستاللاشتۇرۇلىدۇ. بۇنىڭدىن باشقا ، قېلىپنىڭ ئۈستى تەرىپىنى كونترول قىلىپ ، تورمۇز ، تۇرۇبا ياكى خالىغان گېئومېتىرىيەدە كىرىستال ھاسىل قىلغىلى بولىدۇ. Ga2O3 نىڭ گىرۋىكىگە ئېنىقلىما بېرىلگەن نېپىز پەردە يېيىش ئۇسۇلى تېز ئېشىش سۈرئىتى ۋە دىئامېتىرى بىلەن تەمىنلەيدۇ. 3-رەسىمدە β-Ga2O3 يەككە كىرىستالنىڭ دىئاگراممىسى كۆرسىتىلدى. بۇنىڭدىن باشقا ، چوڭ-كىچىكلىكى جەھەتتە ، سۈزۈكلىكى ۋە بىردەكلىكى 2 دىيۇملۇق ۋە 4 دىيۇملۇق Ga-Ga2O3 تارماق زاپچاسلىرى تاۋارلاشتۇرۇلدى ، 6 دىيۇملۇق تارماق بالا كەلگۈسىدىكى تاۋارلاشتۇرۇش تەتقىقاتىدا كۆرسىتىلدى. يېقىندىن بۇيان ، چوڭ ئايلانما يەككە كىرىستال توپ ماتېرىياللىرىمۇ (−201) يۆنىلىشى بىلەن تەمىنلەندى. بۇنىڭدىن باشقا ، β-Ga2O3 گىرۋىكىگە ئېنىقلىما بېرىلگەن فىلىم بېقىش ئۇسۇلىمۇ ئۆتكۈنچى مېتال ئېلېمېنتلارنىڭ دوپپىسىنى ئىلگىرى سۈرۈپ ، Ga2O3 نى تەتقىق قىلىش ۋە تەييارلاشنى مۇمكىن قىلىدۇ.

رەسىم 3 β-Ga2O3 يەككە كرىستال قىرغا ئېنىقلىما بېرىلگەن فىلىم بېقىش ئۇسۇلى ئارقىلىق ئۆستۈرۈلگەن

2.3 Bridgeman ئۇسۇلى
Bridgeman ئۇسۇلىدا كىرىستال كىرىستال شەكىلدە شەكىللىنىدۇ ، ئۇ ئاستا-ئاستا تېمپېراتۇرا تەدرىجىي يۆتكىلىدۇ. بۇ جەريان گورىزونتال ياكى تىك يۆنىلىشتە ئېلىپ بېرىلسا بولىدۇ ، ئادەتتە ئايلانما ھالقىلىق ئىشلىتىلىدۇ. دىققەت قىلىشقا ئەرزىيدىغىنى شۇكى ، بۇ ئۇسۇل خرۇستال ئۇرۇقنى ئىشلىتىشى مۇمكىن. ئەنئەنىۋى Bridgman تىجارەتچىلىرى ئېرىتىش ۋە خرۇستال ئۆسۈش جەريانىنى بىۋاسىتە تەسۋىرلەپ بېرەلمەيدۇ ، چوقۇم يۇقىرى ئېنىقلىق بىلەن تېمپېراتۇرىنى كونترول قىلىشى كېرەك. ۋېرتىكال Bridgman ئۇسۇلى ئاساسلىقى β-Ga2O3 نىڭ ئۆسۈشىگە ئىشلىتىلىدۇ ھەمدە ھاۋا مۇھىتىدا ئۆسۈپ يېتىلىش ئىقتىدارى بىلەن داڭلىق. ۋېرتىكال Bridgman ئۇسۇلىنىڭ ئۆسۈپ يېتىلىش جەريانىدا ، ئېرىگەن ۋە كرېستنىڭ ئومۇمىي ماسسىسى% 1 تىن تۆۋەن ھالەتتە ساقلىنىپ ، چوڭ β-Ga2O3 يەككە كرىستالنىڭ ئۆسۈشىنى ئەڭ تۆۋەن زىيان بىلەن تەمىنلەيدۇ.

4-رەسىم Bridgeman ئۇسۇلى ئارقىلىق ئۆستۈرۈلگەن β-Ga2O3 نىڭ يەككە كىرىستال

2.4 لەيلىمە رايون ئۇسۇلى
لەيلىمە رايون ئۇسۇلى كىرىستال ماددىلارنىڭ كرىستال بۇلغىنىش مەسىلىسىنى ھەل قىلىدۇ ھەمدە يۇقىرى تېمپېراتۇرىغا چىداملىق ئىنفىرا قىزىل كرېست بىلەن مۇناسىۋەتلىك يۇقىرى تەننەرخنى تۆۋەنلىتىدۇ. بۇ ئۆسۈپ يېتىلىش جەريانىدا ، ئېرىتمىنى RF مەنبەسى ئەمەس ، بەلكى چىراغ ئارقىلىق قىزىتقىلى بولىدۇ ، شۇڭا ئۆسۈش ئۈسكۈنىلىرىگە بولغان تەلەپنى ئاددىيلاشتۇرىدۇ. گەرچە لەيلىمە رايون ئۇسۇلى ئارقىلىق ئۆستۈرۈلگەن β-Ga2O3 نىڭ شەكلى ۋە خرۇستال سۈپىتى تېخى ئەڭ ياخشى بولمىسىمۇ ، ئەمما بۇ ئۇسۇل يۇقىرى ساپلىق β-Ga2O3 نى خامچوتقا ماس كېلىدىغان يەككە كرىستالغا ئايلاندۇرۇشنىڭ ئۈمىدۋار ئۇسۇلىنى ئاچىدۇ.

رەسىم 5 β-Ga2O3 لەيلىمە رايون ئۇسۇلى ئارقىلىق ئۆستۈرۈلگەن يەككە كىرىستال.