Monoklinik galyum oksit tabakalarının 4H-silisyum karbür üzerine epitaksiyel elde edilmesi
Epitaxial production of monoclinic gallium oxide layers on 4H-silicon carbide
Yazar: HAMDİN ÖZDEN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ FATİH AKYOL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Son zamanlarda gelişen teknolojiyle birlikte artan enerji ihtiyacı ve yüksek performanslı elektronik aygıt gereksiniminden dolayı yeni yarıiletken malzemelerinin araştırmalarına olan ilgi artmıştır. Bu amaçla son yıllarda monoklinik Galyum Oksit (β-Ga2O3) üzerine araştırmalar yoğunlaşmıştır.

Kristal büyütme yöntemlerinden düşük basınçlı kimyasal buhar biriktirme yöntemi (LPCVD) diğer yöntemlere kıyasla düşük fiyat ve yüksek performansıyla öne çıkmaktadır. Ayrıca son zamanlarda büyük ilgi odağı olan daha geniş bant aralığına (~4.85 eV) (performans) ve eriyikten tek kristal büyütülebilme olanaklarına (maliyet) sahip Ga2O3 kristalinin, yüksek kaliteli yarı-iletken aygıt uygulamalarına yönelik çalışılmalar yoğunlaşmıştır. Ga2O3 kristalinin beş polimorf yapı içerisinden yığınla büyütme yöntemi kullanılabilen, normal şartlar altında ve yüksek sıcaklıkta termodinamik olarak en kararlı fazı β-Ga2O3'tir. Ancak β-Ga2O3 (13 W/cmK) düşük termal iletkenliğe sahip olmasından dolayı yüksek güç elektroniği için geleneksel diyot/transistor tasarımı düşünüldüğünde uygun değildir. Bu problemin çözümünde güvenilir yöntemlerden birisi termal iletkenliği yüksek bir alttaş üzerine heteroepitaksiyel büyütme yapılmasıdır. (-2O1) yönelimli β-Ga2O3 ile yüksek latis uyumuna (~%1) sahip (0001) 4H-SiC (490 W/cmK) alttaşı en uygun aday olarak görülmüştür.

Bu yüksek lisans tez çalışması kapsamında yüksek kalitede tek kristal β-Ga2O3 ince filmleri 4H-SiC üzerine elde edilmiştir. Özgün olarak tasarlanan düşük basınçlı kimyasal buhar biriktirme sistemi kullanılarak katı Ga kaynaktan elde edilen Ga(g), O2 (0.5, 1, 1.5, 2, 3, 4, 5 sccm) & taşıyıcı Ar (300 sccm) debisi, alttaş sıcaklığı (Ts) 925oC'de şartlarında ayarlanarak; yüksek kristal kalitesinde (XRD (-201) FWHM <0.60o) epitaksiyel β-Ga2O3 tabakalar yüksek büyütme hızında (0.2 – 3 μm/sa) ve yüzey pürüzlülüğü (<4 nm) 4H-SiC alttaş üzerine elde edilmiştir.

Abstract:
Recently, the interest in the research of new semiconductor materials has increased due to the increasing energy need and the need for high-performance electronic devices with the developing technology. For this purpose, research has been intensified on monoclinic Gallium Oxide (β-Ga2O3) in recent years.

Low pressure chemical vapor deposition method (LPCVD) which is one of the crystal growth methods, stands out with its low price and high performance compared to other methods. In addition, studies have focused on high quality semiconductor device applications of Ga2O3 crystal, which has a wider band gap (~4.85 eV) (performance) and single crystal growth possibilities (cost) from melt, which has been the focus of great interest recently. Among the five polymorphic structures of the Ga2O3 crystal, β-Ga2O3 is the most thermodynamically stable phase under normal conditions and at high temperature, which can be used by the bulk growth method. However, β-Ga2O3 (13 W/cmK) which due to its low thermal conductivity, is not suitable for high power electronics when considering conventional diode/transistor design. One of the most reliable method to overcome this problem is establishing heteroepitaxial growth on a high thermal conductivity substrate. Having high thermal conductivity (490 W/cmK) and very low lattice mismatch with (-2O1) oriented β-Ga2O3 (~1%), (0001) oriented 4H-SiC substrate is considered to be one of the most promising candidates.

In this master thesis study, it is obtained high quality single crystal epilayers on 4H-SiC substrate, using our customized LPCVD with the ability to precisely control Ga(g) vapor obtained from solid Ga source, O2 (0.5, 1, 1.5, 2, 3, 4, 5 sccm) & carrier gas Ar (300sccm) flow and adjusted substrate temperature (Ts) at 925°C; it was obtained epitaxial β-Ga2O3 layers with high crystal quality (XRD (-201) FWHM<0.60°) at high magnification speed (0.2–3 μm/h) and surface roughness (<4 nm) on 4H-SiC.