Silikon karbid (SiC) va galliy nitridi (GaN) bilan ifodalangan keng tarmoqli (WBG) yarimo'tkazgichlar keng e'tiborga sazovor bo'ldi. Odamlar kremniy karbidni elektr transport vositalari va elektr tarmoqlarida qo'llash istiqbollari, shuningdek, galiy nitridini tez zaryadlashda qo'llash istiqbollari bo'yicha katta umidlarga ega. So'nggi yillarda Ga2O3, AlN va olmos materiallari bo'yicha tadqiqotlar sezilarli yutuqlarga erishdi, bu ultra keng tarmoqli yarimo'tkazgich materiallarini diqqat markaziga aylantirdi. Ular orasida galliy oksidi (Ga2O3) 4,8 eV tarmoqli bo'shlig'iga ega bo'lgan, 8 MV sm-1 ga yaqin nazariy tanqidiy parchalanish maydoniga ega, to'yinganlik tezligi taxminan 2E7 sm s-1 bo'lgan, rivojlanayotgan ultra keng diapazonli yarim o'tkazgich materialidir. va yuqori Baliga sifat koeffitsienti 3000, yuqori kuchlanish sohasida keng e'tiborga ega. va yuqori chastotali elektr energiyasi.
1. Galliy oksidi materialining xarakteristikalari
Ga2O3 katta tarmoqli bo'shlig'iga (4,8 eV) ega bo'lib, yuqori chidamli kuchlanish va yuqori quvvat imkoniyatlariga erishishi kutilmoqda va nisbatan past qarshilikda yuqori kuchlanish moslashuvi uchun potentsialga ega bo'lishi mumkin, bu ularni hozirgi tadqiqotlar markaziga aylantiradi. Bundan tashqari, Ga2O3 nafaqat mukammal moddiy xususiyatlarga ega, balki turli xil oson sozlanishi n-tipli doping texnologiyalarini, shuningdek, arzon narxlardagi substrat o'sishi va epitaksiya texnologiyalarini taqdim etadi. Hozirgacha Ga2O3da besh xil kristall fazalar topilgan, ular orasida korund (a), monoklinik (b), nuqsonli shpinel (g), kub (d) va ortorombik (ɛ) fazalari mavjud. Termodinamik barqarorliklar o'z navbatida g, d, a, ɛ va b. Shuni ta'kidlash kerakki, monoklinik b-Ga2O3 eng barqaror, ayniqsa yuqori haroratlarda, boshqa fazalar esa xona haroratidan yuqori bo'lgan metastabil bo'lib, ma'lum issiqlik sharoitida b fazaga o'tishga moyildir. Shu sababli, so'nggi yillarda b-Ga2O3 asosidagi qurilmalarni ishlab chiqish energiya elektronikasi sohasida asosiy e'tiborga aylandi.
1-jadval Ba'zi yarimo'tkazgich materiallar parametrlarini taqqoslash
Monoklinikb-Ga2O3 ning kristall tuzilishi 1-jadvalda ko'rsatilgan. Uning panjara parametrlari a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å va b = 103,8 ° ni o'z ichiga oladi. Birlik hujayra buralgan tetraedral koordinatali Ga (I) atomlardan va oktaedr koordinatali Ga (II) atomlardan iborat. "Buralgan kubik" massivda kislorod atomlarining uch xil joylashuvi mavjud, ular orasida ikkita uchburchak koordinatali O (I) va O (II) atomlari va bitta tetraedral muvofiqlashtirilgan O (III) atomlari mavjud. Ushbu ikki turdagi atom koordinatsiyasining kombinatsiyasi fizika, kimyoviy korroziya, optika va elektronikada maxsus xususiyatlarga ega b-Ga2O3 anizotropiyasiga olib keladi.
1-rasm Monoklinik b-Ga2O3 kristalining sxematik struktura diagrammasi
Energiya zonasi nazariyasi nuqtai nazaridan, b-Ga2O3 o'tkazuvchanlik zonasining minimal qiymati Ga atomining 4s0 gibrid orbitasiga mos keladigan energiya holatidan kelib chiqadi. O'tkazuvchanlik zonasining minimal qiymati va vakuum energiya darajasi (elektron yaqinlik energiyasi) o'rtasidagi energiya farqi o'lchanadi. 4 eV ni tashkil qiladi. b-Ga2O3 ning samarali elektron massasi 0,28-0,33 me va uning qulay elektron o'tkazuvchanligi bilan o'lchanadi. Biroq, maksimal valentlik zonasi juda past egrilik va kuchli lokalizatsiya qilingan O2p orbitallari bilan sayoz Ek egri chizig'ini namoyish etadi, bu teshiklarning chuqur lokalizatsiya qilinganligini ko'rsatadi. Bu xususiyatlar b-Ga2O3 da p-tipli dopingga erishish uchun katta qiyinchilik tug'diradi. P-tipli dopingga erishish mumkin bo'lsa ham, teshik m juda past darajada qoladi. 2. Ommaviy galliy oksidi monokristalining o'sishi Hozirgacha b-Ga2O3 quyma yagona kristalli substratning o'sish usuli asosan Czochralski (CZ), chekka bilan aniqlangan yupqa plyonkali oziqlantirish usuli (Edge -Defined film-fed) kabi kristall tortish usuli hisoblanadi. , EFG), Bridgman (tik yoki gorizontal Bridgman, HB yoki VB) va suzuvchi zona (suzuvchi zona, FZ) texnologiyasi. Barcha usullar orasida Czochralski va qirrasi aniqlangan yupqa qatlamli oziqlantirish usullari kelajakda b-Ga 2O3 gofretlarini ommaviy ishlab chiqarishning eng istiqbolli yo'llari bo'lishi kutilmoqda, chunki ular bir vaqtning o'zida katta hajmlarga va past nuqsonli zichlikka erishishlari mumkin. Hozirgacha Yaponiyaning Novel Crystal Technology kompaniyasi b-Ga2O3 eritmasi o'sishi uchun tijorat matritsasini amalga oshirdi.
1.1 Choxralskiy usuli
Czochralski usulining printsipi shundan iboratki, birinchi navbatda urug 'qatlami qoplanadi, so'ngra monokristal asta-sekin eritmadan chiqariladi. Czochralski usuli iqtisodiy samaradorligi, katta hajmdagi imkoniyatlari va yuqori kristalli sifatli substrat o'sishi tufayli b-Ga2O3 uchun tobora muhim ahamiyatga ega. Shu bilan birga, Ga2O3 ning yuqori haroratli o'sishi davrida termal stress tufayli monokristallarning bug'lanishi, eritilgan materiallar va Ir tigelining shikastlanishi sodir bo'ladi. Bu Ga2O3 da past n-tipli dopingga erishish qiyinligining natijasidir. O'sish atmosferasiga kislorodning tegishli miqdorini kiritish bu muammoni hal qilishning bir usuli hisoblanadi. Optimallashtirish orqali 10^16~10^19 sm-3 erkin elektron konsentratsiyasi diapazoni va maksimal elektron zichligi 160 sm2/Vs bo'lgan yuqori sifatli 2 dyuymli b-Ga2O3 Czochralski usuli bilan muvaffaqiyatli o'stirildi.
2-rasm Choxralski usulida yetishtirilgan b-Ga2O3 monokristalli
1.2 Chet bilan belgilangan kino oziqlantirish usuli
Kengaytirilgan yupqa plyonkali oziqlantirish usuli keng maydonli Ga2O3 yagona kristalli materiallarni tijorat ishlab chiqarish uchun etakchi da'vogar hisoblanadi. Bu usulning printsipi eritmani kapillyar tirqishi bo'lgan qolipga joylashtirishdan iborat va eritma kapillyar ta'sir orqali qolipga ko'tariladi. Ustki qismida yupqa plyonka hosil bo'ladi va urug 'kristalining kristallanishiga olib keladigan barcha yo'nalishlarda tarqaladi. Bunga qo'shimcha ravishda, qolip tepasining chetlari yoriqlar, naychalar yoki istalgan geometriyadagi kristallar hosil qilish uchun boshqarilishi mumkin. Ga2O3 ning chekka aniqlangan nozik kino oziqlantirish usuli tez o'sish sur'atlarini va katta diametrlarni ta'minlaydi. 3-rasmda b-Ga2O3 monokristalining diagrammasi ko'rsatilgan. Bundan tashqari, o'lchamlar shkalasi bo'yicha, mukammal shaffoflik va bir xillikka ega bo'lgan 2 dyuymli va 4 dyuymli b-Ga2O3 substratlari tijoratlashtirildi, 6 dyuymli substrat esa kelajakda tijoratlashtirish uchun tadqiqotlarda namoyish etildi. So'nggi paytlarda (-201) orientatsiyaga ega bo'lgan yirik dumaloq bir kristalli quyma materiallar ham mavjud bo'ldi. Bundan tashqari, b-Ga2O3 qirrasi bilan belgilangan kino oziqlantirish usuli, shuningdek, Ga2O3 ni tadqiq qilish va tayyorlashga imkon beruvchi o'tish metall elementlarini dopingga yordam beradi.
Shakl 3, chekkadan belgilangan plyonka bilan oziqlantirish usuli bilan o'stirilgan b-Ga2O3 monokristal
1.3 Bridjman usuli
Bridjman usulida kristallar harorat gradienti orqali asta-sekin harakatlanadigan tigelda hosil bo'ladi. Jarayon gorizontal yoki vertikal yo'nalishda, odatda aylanadigan tigel yordamida amalga oshirilishi mumkin. Shunisi e'tiborga loyiqki, bu usulda kristalli urug'lardan foydalanish mumkin yoki bo'lmasligi mumkin. An'anaviy Bridgman operatorlari erish va kristall o'sish jarayonlarini to'g'ridan-to'g'ri vizualizatsiya qila olmaydilar va haroratni yuqori aniqlik bilan nazorat qilishlari kerak. Vertikal Bridgman usuli asosan b-Ga2O3 o'sishi uchun ishlatiladi va havo muhitida o'sish qobiliyati bilan mashhur. Vertikal Bridgman usulida o'sish jarayonida eritma va tigelning umumiy massa yo'qotilishi 1% dan past bo'ladi, bu esa katta b-Ga2O3 monokristallarini minimal yo'qotish bilan o'sishiga imkon beradi.
4-rasm Bridjman usulida yetishtirilgan b-Ga2O3 ning monokristalli
1.4 Suzuvchi zona usuli
Suzuvchi zona usuli tigel materiallari bilan kristall ifloslanish muammosini hal qiladi va yuqori haroratga chidamli infraqizil tigellar bilan bog'liq yuqori xarajatlarni kamaytiradi. Ushbu o'sish jarayonida eritmani RF manbai emas, balki chiroq bilan isitish mumkin, bu esa o'sish uskunalariga bo'lgan talablarni soddalashtiradi. Suzuvchi zona usulida yetishtirilgan b-Ga2O3 ning shakli va kristall sifati hali optimal bo‘lmasa-da, bu usul yuqori tozalikdagi b-Ga2O3 ni byudjetga qulay monokristallarga etishtirishning istiqbolli usulini ochadi.
5-rasm Suzuvchi zona usulida yetishtirilgan b-Ga2O3 monokristal.
Yuborilgan vaqt: 2024 yil 30-may