גאַליום אַקסייד איין קריסטאַל און עפּיטאַקסיאַל גראָוט טעכנאָלאָגיע

ברייט באַנדגאַפּ (WBG) סעמיקאַנדאַקטערז רעפּריזענטיד דורך סיליציום קאַרבידע (SiC) און גאַליום ניטרידע (גאַן) האָבן באקומען וויידספּרעד ופמערקזאַמקייט. מענטשן האָבן הויך עקספּעקטיישאַנז פֿאַר די אַפּלאַקיישאַן פּראַספּעקס פון סיליציום קאַרבידע אין עלעקטריק וועהיקלעס און מאַכט גרידס, ווי געזונט ווי די אַפּלאַקיישאַן פּראַספּעקס פון גאַליום ניטריד אין שנעל טשאַרדזשינג. אין די לעצטע יאָרן, פאָרשונג אויף Ga2O3, AlN און דימענט מאַטעריאַלס האָבן געמאכט באַטייטיק פּראָגרעס, וואָס מאכט הינטער-ברייט באַנדגאַפּ סעמיקאַנדאַקטער מאַטעריאַלס דער פאָקוס פון ופמערקזאַמקייט. צווישן זיי, גאַליום אַקסייד (גאַ2אָ3) איז אַן ימערדזשינג הינטער-ברייט-באַנדגאַפּ סעמיקאַנדאַקטער מאַטעריאַל מיט אַ באַנד ריס פון 4.8 eV, אַ טעאָרעטיש קריטיש ברייקדאַון פעלד שטאַרקייַט פון וועגן 8 מוו סענטימעטער-1, אַ זעטיקונג גיכקייַט פון וועגן 2E7cm s-1, און אַ הויך באַליגאַ קוואַליטעט פאַקטאָר פון 3000, ריסיווינג וויידספּרעד ופמערקזאַמקייט אין די פעלד פון הויך וואָולטידזש און הויך אָפטקייַט מאַכט עלעקטראָניק.

1. גאַליום אַקסייד מאַטעריאַל טשאַראַקטעריסטיקס
Ga2O3 האט אַ גרויס באַנד ריס (4.8 eV), איז געריכט צו דערגרייכן ביידע הויך וויטסטאַנד וואָולטידזש און הויך מאַכט קייפּאַבילאַטיז, און קענען האָבן די פּאָטענציעל פֿאַר הויך וואָולטידזש אַדאַפּטאַבילאַטי ביי לעפיערעך נידעריק קעגנשטעל, וואָס מאכט זיי די פאָקוס פון קראַנט פאָרשונג. אין אַדישאַן, Ga2O3 האט ניט בלויז ויסגעצייכנט מאַטעריאַל פּראָפּערטיעס, אָבער אויך גיט אַ פאַרשיידנקייַט פון לייכט אַדזשאַסטאַבאַל n-טיפּ דאָפּינג טעקנאַלאַדזשיז, ווי געזונט ווי נידעריק-פּרייַז סאַבסטרייט גראָוט און עפּיטאַקסי טעקנאַלאַדזשיז. ביז איצט, פינף פאַרשידענע קריסטאַל פייזאַז זענען דיסקאַווערד אין גאַ2אָ3, אַרייַנגערעכנט קאָרונדום (α), מאָנאָקליניק (β), דעפעקטיווע ספּינעל (γ), קוביק (δ) און אָרטהאָראָמביק (ɛ) פאַסעס. טערמאָדינאַמיק סטאַבילאַטיז זענען, אין סדר, γ, δ, α, ɛ, און β. עס איז כדאי צו באמערקן אַז מאָנאָקליניק β-Ga2O3 איז די מערסט סטאַביל, ספּעציעל אין הויך טעמפּעראַטורעס, בשעת אנדערע פאַסעס זענען מעטאַסטאַבאַל העכער צימער טעמפּעראַטור און טענד צו יבערמאַכן אין די β פאַסע אונטער ספּעציפיש טערמאַל טנאָים. דעריבער, די אַנטוויקלונג פון β-Ga2O3-באזירט דעוויסעס איז געווארן אַ הויפּט פאָקוס אין די פעלד פון מאַכט עלעקטראָניק אין די לעצטע יאָרן.

טיש 1 פאַרגלייַך פון עטלעכע סעמיקאַנדאַקטער מאַטעריאַל פּאַראַמעטערס

די קריסטאַל סטרוקטור פון מאָנאָקליניקβ-גאַ2אָ3 איז געוויזן אין טאַבלע 1. זייַן לאַטאַס פּאַראַמעטערס אַרייַננעמען אַ = 12.21 אַ, ב = 3.04 אַ, c = 5.8 אַ, און β = 103.8 °. די אַפּאַראַט צעל באשטייט פון גאַ (י) אַטאָמס מיט טוויסטיד טעטראַהעדראַל קאָואָרדאַניישאַן און גאַ (II) אַטאָמס מיט אָקטאַהעדראַל קאָואָרדאַניישאַן. עס זענען דריי פאַרשידענע עריינדזשמאַנץ פון זויערשטאָף אַטאָמס אין די "טוויסטעד קוביק" מענגע, אַרייַנגערעכנט צוויי טרייאַנגגיאַלערלי קאָואָרדאַנייטיד אָ (איך) און אָ (וו) אַטאָמס און איין טעטראַהעדראַל קאָואָרדאַנייטיד אָ (III) אַטאָם. די קאָמבינאַציע פון ​​די צוויי טייפּס פון אַטאָמישע קאָואָרדאַניישאַן פירט צו די אַניסאָטראָפּיע פון ​​β-גאַ2אָ3 מיט ספּעציעל פּראָפּערטיעס אין פיזיק, כעמישער קעראָוזשאַן, אָפּטיקס און עלעקטראָניק.

פיגור 1 סכעמאַטיש סטראַקטשעראַל דיאַגראַמע פון ​​מאָנאָקליניק β-גאַ2אָ3 קריסטאַל

פֿון דער פּערספּעקטיוו פון ענערגיע באַנד טעאָריע, די מינימום ווערט פון די קאַנדאַקשאַן באַנד פון β-Ga2O3 איז דערייווד פון די ענערגיע שטאַט קאָראַספּאַנדינג צו די 4s0 כייבריד אָרביט פון די גאַ אַטאָם. די ענערגיע חילוק צווישן די מינימום ווערט פון די קאַנדאַקשאַן באַנד און די וואַקוום ענערגיע מדרגה (עלעקטראָן קירבות ענערגיע) איז געמאסטן. איז 4 eV. די עפעקטיוו עלעקטראָן מאַסע פון ​​β-Ga2O3 איז געמאסטן ווי 0.28-0.33 מיר און זייַן גינציק עלעקטראָניש קאַנדאַקטיוואַטי. אָבער, די וואַלענס באַנד מאַקסימום יגזיבאַץ אַ פּליטקע עק ויסבייג מיט זייער נידעריק קערוואַטשער און שטארק לאָוקאַלייזד אָ2פּ אָרביטאַלז, סאַגדזשעסטינג אַז די האָלעס זענען דיפּלי לאָוקאַלייזד. די קעראַקטעריסטיקס זייַנען אַ ריזיק אַרויסרופן צו דערגרייכן פּ-טיפּ דאָפּינג אין β-גאַ2אָ3. אפילו אויב עס קענען זיין אַטשיווד פּ-טיפּ דאָפּינג, די לאָך μ בלייבט אויף אַ זייער נידעריק מדרגה. 2. גראָוט פון פאַרנעם גאַליום אַקסייד איין קריסטאַל ביז איצט, דער וווּקס אופֿן פון β-גאַ2אָ3 פאַרנעם איין קריסטאַל סאַבסטרייט איז דער הויפּט קריסטאַל פּולינג אופֿן, אַזאַ ווי Czochralski (CZ), ברעג-דיפיינד דין פילם פידינג אופֿן (ברעג -דעפינעד פילם-פאסטעכער) , EFG), ברידגמאַן (רטיקאַל אָדער האָריזאָנטאַל ברידגמאַן, הב אָדער ווב) און פלאָוטינג זאָנע (פלאָוטינג זאָנע, פז) טעכנאָלאָגיע. צווישן אַלע מעטהאָדס, Czochralski און ברעג-דיפיינד דין-פילם פידינג מעטהאָדס זענען געריכט צו זיין די מערסט פּראַמאַסינג אַוואַנוז פֿאַר מאַסע פּראָדוקציע פון ​​β-Ga 2O3 ווייפערז אין דער צוקונפֿט, ווייַל זיי קענען סיימאַלטייניאַסלי דערגרייכן גרויס וואַליומז און נידעריק דעפעקט דענסאַטיז. ביז איצט, יאַפּאַן ס ראָמאַן קריסטאַל טעכנאָלאָגיע האט איינגעזען אַ געשעפט מאַטריץ פֿאַר צעשמעלצן וווּקס β-Ga2O3.

2.1 Czochralski אופֿן
דער פּרינציפּ פון Czochralski אופֿן איז אַז די זוימען שיכטע איז ערשטער באדעקט, און דעמאָלט דער איין קריסטאַל איז סלאָולי פּולד אויס פון די צעשמעלצן. די Czochralski אופֿן איז ינקריסינגלי וויכטיק פֿאַר β-Ga2O3 רעכט צו זיין קאָס-יפעקטיוונאַס, גרויס גרייס קייפּאַבילאַטיז און הויך קריסטאַל קוואַליטעט סאַבסטרייט וווּקס. אָבער, רעכט צו טערמאַל דרוק בעשאַס די הויך-טעמפּעראַטור וווּקס פון גאַ2אָ3, יוואַפּעריישאַן פון איין קריסטאַלז, צעשמעלצן מאַטעריאַלס און שעדיקן צו די יר קרוסיבלע וועט פּאַסירן. דאָס איז אַ רעזולטאַט פון די שוועריקייט אין דערגרייכן נידעריק n-טיפּ דאָפּינג אין Ga2O3. ינטראָודוסינג אַ צונעמען סומע פון ​​זויערשטאָף אין דער וווּקס אַטמאָספער איז איין וועג צו סאָלווע דעם פּראָבלעם. דורך אַפּטאַמאַזיישאַן, הויך-קוואַליטעט 2-אינטש β-גאַ2אָ3 מיט אַ פריי עלעקטראָן קאַנסאַנטריישאַן קייט פון 10 ^ 16 ~ 10 ^ 19 סענטימעטער - 3 און אַ מאַקסימום עלעקטראָן געדיכטקייַט פון 160 סענטימעטער 2 / ווס איז הצלחה דערוואַקסן דורך די Czochralski אופֿן.

פיגורע 2 איין קריסטאַל פון β-גאַ2אָ3 דערוואַקסן דורך Czochralski אופֿן

2.2 עדזש-דיפיינד פילם פידינג אופֿן
די ברעג-דיפיינד דין פילם פידינג אופֿן איז באטראכט צו זיין דער לידינג קאַנטענדער פֿאַר די געשעפט פּראָדוקציע פון ​​גרויס-שטח גאַ2אָ3 איין קריסטאַל מאַטעריאַלס. דער פּרינציפּ פון דעם אופֿן איז צו שטעלן די צעשמעלצן אין אַ פורעם מיט אַ קאַפּאַלערי שפּאַלט, און די צעשמעלצן ריסעס צו די פורעם דורך קאַפּאַלערי קאַמף. אין די שפּיץ, אַ דין פילם פארמען און ספּרעדז אין אַלע אינסטרוקציעס בשעת די זוימען קריסטאַל איז ינדוסט צו קריסטאַלייז. אַדדיטיאָנאַללי, די עדזשאַז פון די פורעם שפּיץ קענען זיין קאַנטראָולד צו פּראָדוצירן קריסטאַלז אין פלאַקעס, טובז אָדער קיין געוואלט דזשיאַמאַטרי. די ברעג-דיפיינד דין פילם פידינג אופֿן פון Ga2O3 גיט שנעל גראָוט רייץ און גרויס דיאַמעטערס. פיגורע 3 ווייזט אַ דיאַגראַמע פון ​​אַ β-גאַ2אָ3 איין קריסטאַל. אין אַדישאַן, אין טערמינען פון גרייס וואָג, 2-אינטש און 4-אינטש β-Ga2O3 סאַבסטרייץ מיט ויסגעצייכנט דורכזעיקייַט און יונאַפאָרמאַטי זענען קאַמערשאַלייזד, בשעת די 6-אינטש סאַבסטרייט איז דעמאַנסטרייטיד אין פאָרשונג פֿאַר צוקונפֿט קאַמערשאַליזיישאַן. לעצטנס, גרויס קייַלעכיק איין-קריסטאַל פאַרנעם מאַטעריאַלס זענען אויך בנימצא מיט (-201) אָריענטירונג. אין אַדישאַן, די β-Ga2O3 ברעג-דיפיינד פילם פידינג אופֿן אויך פּראַמאָוץ די דאָפּינג פון יבערגאַנג מעטאַל עלעמענטן, וואָס מאכט די פאָרשונג און צוגרייטונג פון Ga2O3 מעגלעך.

פיגורע 3 β-גאַ2אָ3 איין קריסטאַל דערוואַקסן דורך ברעג-דיפיינד פילם פידינג אופֿן

2.3 ברידגעמאַן אופֿן
אין די ברידגמאַן אופֿן, קריסטאַלז זענען געשאפן אין אַ קרוסאַבאַל וואָס איז ביסלעכווייַז אריבערגעפארן דורך אַ טעמפּעראַטור גראַדיענט. דער פּראָצעס קענען זיין דורכגעקאָכט אין אַ האָריזאָנטאַל אָדער ווערטיקאַל אָריענטירונג, יוזשאַוואַלי ניצן אַ ראָוטייטינג קרוסאַבאַל. עס איז כדאי צו באמערקן אַז דעם אופֿן קען אָדער קען נישט נוצן קריסטאַל זאמען. טראַדיציאָנעל ברידגמאַן אָפּערייטערז פעלן דירעקט וויזשוואַלאַזיישאַן פון די מעלטינג און קריסטאַל וווּקס פּראַסעסאַז און מוזן קאָנטראָלירן טעמפּעראַטורעס מיט הויך פּינטלעכקייַט. די ווערטיקאַל ברידגמאַן אופֿן איז דער הויפּט געניצט פֿאַר די וווּקס פון β-גאַ2אָ3 און איז באַוווסט פֿאַר זייַן פיייקייט צו וואַקסן אין אַ לופט סוויווע. בעשאַס די ווערטיקאַל ברידגמאַן אופֿן וווּקס פּראָצעס, די גאַנץ מאַסע אָנווער פון די צעשמעלצן און קרוסיבלע איז געהאלטן אונטער 1%, וואָס אַלאַוז די גראָוט פון גרויס β-Ga2O3 איין קריסטאַלז מיט מינימאַל אָנווער.

פיגורע 4 איין קריסטאַל פון β-גאַ2אָ3 דערוואַקסן דורך ברידזשעמאַן אופֿן

2.4 פלאָוטינג זאָנע אופֿן
די פלאָוטינג זאָנע אופֿן סאַלווז די פּראָבלעם פון קריסטאַל קאַנטאַמאַניישאַן דורך קרוסיבלע מאַטעריאַלס און ראַדוסאַז די הויך קאָס פֿאַרבונדן מיט הויך טעמפּעראַטור קעגנשטעליק ינפרערעד קרוסיבלע. בעשאַס דעם וווּקס פּראָצעס, די צעשמעלצן קענען זיין העאַטעד דורך אַ לאָמפּ אלא ווי אַ רף מקור, אַזוי סימפּלאַפייינג די באדערפענישן פֿאַר גראָוט ויסריכט. כאָטש די פאָרעם און קריסטאַל קוואַליטעט פון β-Ga2O3 דערוואַקסן דורך די פלאָוטינג זאָנע אופֿן זענען נישט נאָך אָפּטימאַל, דעם אופֿן אָפּענס אַ פּראַמאַסינג אופֿן פֿאַר גראָוינג הויך-ריינקייַט β-Ga2O3 אין בודזשעט-פרייַנדלעך איין קריסטאַלז.

פיגורע 5 β-גאַ2אָ3 איין קריסטאַל דערוואַקסן דורך די פלאָוטינג זאָנע אופֿן.