গ্যালিয়াম অক্সাইড একক স্ফটিক এবং এপিট্যাক্সিয়াল বৃদ্ধি প্রযুক্তি

সিলিকন কার্বাইড (SiC) এবং গ্যালিয়াম নাইট্রাইড (GaN) দ্বারা প্রতিনিধিত্ব করা ওয়াইড ব্যান্ডগ্যাপ (WBG) সেমিকন্ডাক্টরগুলি ব্যাপক মনোযোগ আকর্ষণ করেছে। বৈদ্যুতিক যানবাহন এবং পাওয়ার গ্রিডে সিলিকন কার্বাইডের প্রয়োগের সম্ভাবনা, সেইসাথে দ্রুত চার্জিংয়ে গ্যালিয়াম নাইট্রাইডের প্রয়োগের সম্ভাবনা সম্পর্কে মানুষের উচ্চ প্রত্যাশা রয়েছে। সাম্প্রতিক বছরগুলিতে, Ga2O3, AlN এবং হীরার উপকরণগুলির উপর গবেষণা উল্লেখযোগ্য অগ্রগতি অর্জন করেছে, যা আল্ট্রা-ওয়াইড ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর উপকরণগুলিকে মনোযোগের কেন্দ্রবিন্দুতে পরিণত করেছে। এর মধ্যে, গ্যালিয়াম অক্সাইড (Ga2O3) হল একটি উদীয়মান আল্ট্রা-ওয়াইড-ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর উপাদান যার ব্যান্ড গ্যাপ 4.8 eV, তাত্ত্বিক সমালোচনামূলক ব্রেকডাউন ফিল্ড শক্তি প্রায় 8 MV cm-1, স্যাচুরেশন বেগ প্রায় 2E7cm s-1 এবং উচ্চ বালিগা মানের ফ্যাক্টর 3000, যা উচ্চ ভোল্টেজ এবং উচ্চ ফ্রিকোয়েন্সি পাওয়ার ইলেকট্রনিক্সের ক্ষেত্রে ব্যাপক মনোযোগ আকর্ষণ করছে।

1. গ্যালিয়াম অক্সাইড উপাদানের বৈশিষ্ট্য

Ga2O3 এর একটি বৃহৎ ব্যান্ড গ্যাপ (4.8 eV) রয়েছে, যা উচ্চ প্রতিরোধী ভোল্টেজ এবং উচ্চ শক্তি উভয় ক্ষমতা অর্জন করবে বলে আশা করা হচ্ছে এবং তুলনামূলকভাবে কম প্রতিরোধের ক্ষেত্রে উচ্চ ভোল্টেজ অভিযোজনযোগ্যতার সম্ভাবনা থাকতে পারে, যা তাদের বর্তমান গবেষণার কেন্দ্রবিন্দুতে পরিণত করে। এছাড়াও, Ga2O3 এর কেবল চমৎকার উপাদান বৈশিষ্ট্যই নেই, বরং বিভিন্ন ধরণের সহজে সামঞ্জস্যযোগ্য n-টাইপ ডোপিং প্রযুক্তি, সেইসাথে কম খরচে সাবস্ট্রেট বৃদ্ধি এবং এপিট্যাক্সি প্রযুক্তিও প্রদান করে। এখন পর্যন্ত, Ga2O3-তে পাঁচটি ভিন্ন স্ফটিক পর্যায় আবিষ্কৃত হয়েছে, যার মধ্যে রয়েছে করন্ডাম (α), মনোক্লিনিক (β), ত্রুটিপূর্ণ স্পিনেল (γ), ঘন (δ) এবং অর্থোরহম্বিক (ɛ) পর্যায়। তাপগতিগত স্থিতিশীলতা, ক্রমানুসারে, γ, δ, α, ɛ, এবং β। এটি লক্ষণীয় যে মনোক্লিনিক β-Ga2O3 সবচেয়ে স্থিতিশীল, বিশেষ করে উচ্চ তাপমাত্রায়, যখন অন্যান্য পর্যায়গুলি ঘরের তাপমাত্রার উপরে মেটাস্টেবল হয় এবং নির্দিষ্ট তাপীয় অবস্থার অধীনে β পর্যায়ে রূপান্তরিত হওয়ার প্রবণতা রাখে। অতএব, সাম্প্রতিক বছরগুলিতে পাওয়ার ইলেকট্রনিক্সের ক্ষেত্রে β-Ga2O3-ভিত্তিক ডিভাইসের উন্নয়ন একটি প্রধান কেন্দ্রবিন্দুতে পরিণত হয়েছে।

সারণি ১: কিছু অর্ধপরিবাহী উপাদানের পরামিতির তুলনা

মনোক্লিনিকβ-Ga2O3 এর স্ফটিক গঠন সারণি 1 এ দেখানো হয়েছে। এর ল্যাটিস প্যারামিটারগুলির মধ্যে রয়েছে a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, এবং β = 103.8°। ইউনিট কোষে Ga(I) পরমাণু রয়েছে যার মধ্যে পাকানো টেট্রাহেড্রাল সমন্বয় রয়েছে এবং Ga(II) পরমাণু রয়েছে যার মধ্যে অক্টাহেড্রাল সমন্বয় রয়েছে। "পাকানো ঘনক" অ্যারেতে অক্সিজেন পরমাণুর তিনটি ভিন্ন বিন্যাস রয়েছে, যার মধ্যে দুটি ত্রিভুজাকারভাবে সমন্বিত O(I) এবং O(II) পরমাণু এবং একটি টেট্রাহেড্রালি সমন্বিত O(III) পরমাণু রয়েছে। এই দুই ধরণের পারমাণবিক সমন্বয়ের সংমিশ্রণ β-Ga2O3 এর অ্যানিসোট্রপির দিকে পরিচালিত করে যার পদার্থবিদ্যা, রাসায়নিক ক্ষয়, আলোকবিদ্যা এবং ইলেকট্রনিক্সে বিশেষ বৈশিষ্ট্য রয়েছে।

চিত্র ১ মনোক্লিনিক β-Ga2O3 স্ফটিকের পরিকল্পিত কাঠামোগত চিত্র

শক্তি ব্যান্ড তত্ত্বের দৃষ্টিকোণ থেকে, β-Ga2O3 এর পরিবাহী ব্যান্ডের সর্বনিম্ন মান Ga পরমাণুর 4s0 হাইব্রিড কক্ষপথের সাথে সম্পর্কিত শক্তি অবস্থা থেকে উদ্ভূত হয়। পরিবাহী ব্যান্ডের সর্বনিম্ন মান এবং ভ্যাকুয়াম শক্তি স্তর (ইলেকট্রন অ্যাফিনিটি শক্তি) এর মধ্যে শক্তির পার্থক্য পরিমাপ করা হয়। 4 eV। β-Ga2O3 এর কার্যকর ইলেকট্রন ভর 0.28–0.33 me এবং এর অনুকূল ইলেকট্রনিক পরিবাহিতা হিসাবে পরিমাপ করা হয়। তবে, ভ্যালেন্স ব্যান্ড সর্বাধিক একটি অগভীর Ek বক্ররেখা প্রদর্শন করে যার বক্রতা খুব কম এবং দৃঢ়ভাবে স্থানীয়কৃত O2p অরবিটাল রয়েছে, যা ইঙ্গিত দেয় যে গর্তগুলি গভীরভাবে স্থানীয়কৃত। এই বৈশিষ্ট্যগুলি β-Ga2O3 তে p-টাইপ ডোপিং অর্জনের জন্য একটি বিশাল চ্যালেঞ্জ তৈরি করে। এমনকি যদি P-টাইপ ডোপিং অর্জন করা যায়, তবুও গর্ত μ খুব কম স্তরে থাকে। 2. বাল্ক গ্যালিয়াম অক্সাইড একক স্ফটিকের বৃদ্ধি এখন পর্যন্ত, β-Ga2O3 বাল্ক একক স্ফটিক সাবস্ট্রেটের বৃদ্ধি পদ্ধতি মূলত স্ফটিক টানা পদ্ধতি, যেমন Czochralski (CZ), প্রান্ত-সংজ্ঞায়িত পাতলা ফিল্ম খাওয়ানোর পদ্ধতি (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (rtical or horizontal Bridgman, HB or VB) এবং ভাসমান অঞ্চল (ভাসমান অঞ্চল, FZ) প্রযুক্তি। সমস্ত পদ্ধতির মধ্যে, Czochralski এবং প্রান্ত-সংজ্ঞায়িত পাতলা-ফিল্ম খাওয়ানোর পদ্ধতিগুলি ভবিষ্যতে β-Ga 2O3 ওয়েফারের ব্যাপক উৎপাদনের জন্য সবচেয়ে প্রতিশ্রুতিশীল উপায় হবে বলে আশা করা হচ্ছে, কারণ তারা একই সাথে বৃহৎ আয়তন এবং কম ত্রুটি ঘনত্ব অর্জন করতে পারে। এখন পর্যন্ত, জাপানের নভেল ক্রিস্টাল প্রযুক্তি β-Ga2O3 গলিত বৃদ্ধির জন্য একটি বাণিজ্যিক ম্যাট্রিক্স উপলব্ধি করেছে।

১.১ চোক্রালস্কি পদ্ধতি

Czochralski পদ্ধতির নীতি হল বীজ স্তরটি প্রথমে ঢেকে দেওয়া হয়, এবং তারপর ধীরে ধীরে একক স্ফটিকটি গলিত অবস্থা থেকে বের করে আনা হয়। Czochralski পদ্ধতিটি β-Ga2O3 এর জন্য ক্রমশ গুরুত্বপূর্ণ হয়ে উঠছে কারণ এর খরচ-কার্যকারিতা, বৃহৎ আকারের ক্ষমতা এবং উচ্চ স্ফটিক মানের সাবস্ট্রেট বৃদ্ধি। তবে, Ga2O3 এর উচ্চ-তাপমাত্রার বৃদ্ধির সময় তাপীয় চাপের কারণে, একক স্ফটিক, গলিত পদার্থের বাষ্পীভবন এবং Ir ক্রুসিবলের ক্ষতি হবে। এটি Ga2O3-তে কম n-টাইপ ডোপিং অর্জনে অসুবিধার ফলাফল। বৃদ্ধির বায়ুমণ্ডলে উপযুক্ত পরিমাণে অক্সিজেন প্রবর্তন করা এই সমস্যা সমাধানের একটি উপায়। অপ্টিমাইজেশনের মাধ্যমে, Czochralski পদ্ধতি দ্বারা উচ্চ-মানের 2-ইঞ্চি β-Ga2O3 সফলভাবে জন্মানো হয়েছে যার মুক্ত ইলেকট্রন ঘনত্ব 10^16~10^19 cm-3 এবং সর্বোচ্চ 160 cm2/Vs ইলেকট্রন ঘনত্ব রয়েছে।

চিত্র ২: জোক্রালস্কি পদ্ধতিতে উৎপাদিত β-Ga2O3 এর একক স্ফটিক

১.২ প্রান্ত-সংজ্ঞায়িত ফিল্ম ফিডিং পদ্ধতি

বৃহৎ-ক্ষেত্রের Ga2O3 একক স্ফটিক উপকরণের বাণিজ্যিক উৎপাদনের জন্য প্রান্ত-সংজ্ঞায়িত পাতলা ফিল্ম ফিডিং পদ্ধতিকে অগ্রণী প্রতিযোগী হিসেবে বিবেচনা করা হয়। এই পদ্ধতির নীতি হল গলিত পদার্থকে একটি কৈশিক স্লিট সহ একটি ছাঁচে স্থাপন করা এবং কৈশিক ক্রিয়া দ্বারা গলিত পদার্থটি ছাঁচে উঠে যায়। শীর্ষে, একটি পাতলা ফিল্ম তৈরি হয় এবং বীজ স্ফটিক দ্বারা স্ফটিকীকরণের জন্য প্ররোচিত হয়ে সমস্ত দিকে ছড়িয়ে পড়ে। অতিরিক্তভাবে, ছাঁচের শীর্ষের প্রান্তগুলিকে ফ্লেক্স, টিউব বা যেকোনো পছন্দসই জ্যামিতিতে স্ফটিক তৈরি করতে নিয়ন্ত্রণ করা যেতে পারে। Ga2O3 এর প্রান্ত-সংজ্ঞায়িত পাতলা ফিল্ম ফিডিং পদ্ধতি দ্রুত বৃদ্ধির হার এবং বৃহৎ ব্যাস প্রদান করে। চিত্র 3 একটি β-Ga2O3 একক স্ফটিকের একটি চিত্র দেখায়। এছাড়াও, আকারের স্কেলের দিক থেকে, চমৎকার স্বচ্ছতা এবং অভিন্নতা সহ 2-ইঞ্চি এবং 4-ইঞ্চি β-Ga2O3 সাবস্ট্রেটগুলিকে বাণিজ্যিকীকরণ করা হয়েছে, যখন 6-ইঞ্চি সাবস্ট্রেট ভবিষ্যতের বাণিজ্যিকীকরণের জন্য গবেষণায় প্রদর্শিত হয়েছে। সম্প্রতি, (−201) অভিযোজন সহ বৃহৎ বৃত্তাকার একক-স্ফটিক বাল্ক উপকরণগুলিও উপলব্ধ হয়েছে। এছাড়াও, β-Ga2O3 প্রান্ত-সংজ্ঞায়িত ফিল্ম ফিডিং পদ্ধতি ট্রানজিশন ধাতু উপাদানগুলির ডোপিংকেও উৎসাহিত করে, যা Ga2O3 এর গবেষণা এবং প্রস্তুতি সম্ভব করে তোলে।

চিত্র ৩ β-Ga2O3 একক স্ফটিক যা প্রান্ত-সংজ্ঞায়িত ফিল্ম ফিডিং পদ্ধতি দ্বারা উত্থিত হয়

১.৩ ব্রিজম্যান পদ্ধতি

ব্রিজম্যান পদ্ধতিতে, ক্রুসিবলে স্ফটিক তৈরি করা হয় যা ধীরে ধীরে তাপমাত্রার গ্রেডিয়েন্টের মধ্য দিয়ে সরানো হয়। প্রক্রিয়াটি অনুভূমিক বা উল্লম্বভাবে সঞ্চালিত হতে পারে, সাধারণত একটি ঘূর্ণায়মান ক্রুসিবল ব্যবহার করে। এটি লক্ষণীয় যে এই পদ্ধতিতে স্ফটিক বীজ ব্যবহার করা যেতে পারে বা নাও হতে পারে। ঐতিহ্যবাহী ব্রিজম্যান অপারেটরদের গলন এবং স্ফটিক বৃদ্ধির প্রক্রিয়াগুলির সরাসরি কল্পনার অভাব থাকে এবং উচ্চ নির্ভুলতার সাথে তাপমাত্রা নিয়ন্ত্রণ করতে হয়। উল্লম্ব ব্রিজম্যান পদ্ধতিটি মূলত β-Ga2O3 বৃদ্ধির জন্য ব্যবহৃত হয় এবং এটি বায়ু পরিবেশে বৃদ্ধির ক্ষমতার জন্য পরিচিত। উল্লম্ব ব্রিজম্যান পদ্ধতির বৃদ্ধি প্রক্রিয়ার সময়, গলিত এবং ক্রুসিবলের মোট ভর ক্ষতি 1% এর নিচে রাখা হয়, যা ন্যূনতম ক্ষতি সহ বৃহৎ β-Ga2O3 একক স্ফটিকের বৃদ্ধি সক্ষম করে।

চিত্র ৪ ব্রিজম্যান পদ্ধতিতে উৎপাদিত β-Ga2O3 এর একক স্ফটিক

১.৪ ভাসমান অঞ্চল পদ্ধতি

ভাসমান অঞ্চল পদ্ধতি ক্রুসিবল উপকরণ দ্বারা স্ফটিক দূষণের সমস্যা সমাধান করে এবং উচ্চ তাপমাত্রা প্রতিরোধী ইনফ্রারেড ক্রুসিবলের সাথে সম্পর্কিত উচ্চ খরচ কমায়। এই বৃদ্ধি প্রক্রিয়ার সময়, গলিত পদার্থকে RF উৎসের পরিবর্তে একটি বাতি দিয়ে উত্তপ্ত করা যেতে পারে, ফলে বৃদ্ধি সরঞ্জামের প্রয়োজনীয়তা সহজ হয়। যদিও ভাসমান অঞ্চল পদ্ধতি দ্বারা উত্থিত β-Ga2O3 এর আকৃতি এবং স্ফটিকের গুণমান এখনও সর্বোত্তম নয়, এই পদ্ধতিটি উচ্চ-বিশুদ্ধতা β-Ga2O3 কে বাজেট-বান্ধব একক স্ফটিকে পরিণত করার জন্য একটি প্রতিশ্রুতিশীল পদ্ধতি উন্মুক্ত করে।

চিত্র ৫: ভাসমান অঞ্চল পদ্ধতিতে উত্থিত β-Ga2O3 একক স্ফটিক।