গ্যালিয়াম অক্সাইড একক স্ফটিক এবং এপিট্যাক্সিয়াল বৃদ্ধি প্রযুক্তি

সিলিকন কার্বাইড (SiC) এবং গ্যালিয়াম নাইট্রাইড (GaN)-এর মতো ওয়াইড ব্যান্ডগ্যাপ (WBG) সেমিকন্ডাক্টরগুলো ব্যাপক মনোযোগ আকর্ষণ করেছে। বৈদ্যুতিক যানবাহন ও পাওয়ার গ্রিডে সিলিকন কার্বাইডের প্রয়োগ সম্ভাবনা এবং ফাস্ট চার্জিং-এ গ্যালিয়াম নাইট্রাইডের প্রয়োগ সম্ভাবনা নিয়ে মানুষের উচ্চ প্রত্যাশা রয়েছে। সাম্প্রতিক বছরগুলোতে Ga2O3, AlN এবং ডায়মন্ড উপাদানের উপর গবেষণায় উল্লেখযোগ্য অগ্রগতি সাধিত হয়েছে, যা আল্ট্রা-ওয়াইড ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর উপাদানগুলোকে মনোযোগের কেন্দ্রবিন্দুতে পরিণত করেছে। এদের মধ্যে, গ্যালিয়াম অক্সাইড (Ga2O3) একটি উদীয়মান আল্ট্রা-ওয়াইড-ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর উপাদান, যার ব্যান্ড গ্যাপ ৪.৮ eV, তাত্ত্বিক ক্রিটিক্যাল ব্রেকডাউন ফিল্ড স্ট্রেংথ প্রায় ৮ MV cm-1, স্যাচুরেশন ভেলোসিটি প্রায় 2E7cm s-1 এবং উচ্চ বালিগা কোয়ালিটি ফ্যাক্টর ৩০০০ রয়েছে, যা উচ্চ ভোল্টেজ এবং উচ্চ ফ্রিকোয়েন্সি পাওয়ার ইলেকট্রনিক্সের ক্ষেত্রে ব্যাপক মনোযোগ আকর্ষণ করেছে।

১. গ্যালিয়াম অক্সাইড উপাদানের বৈশিষ্ট্য

Ga2O3-এর একটি বৃহৎ ব্যান্ড গ্যাপ (৪.৮ eV) রয়েছে, যা থেকে উচ্চ সহনশীল ভোল্টেজ এবং উচ্চ শক্তি ক্ষমতা উভয়ই অর্জন করা সম্ভব বলে আশা করা যায়। তুলনামূলকভাবে কম রোধে উচ্চ ভোল্টেজের সাথে খাপ খাইয়ে নেওয়ার সম্ভাবনাও এর রয়েছে, যা একে বর্তমান গবেষণার কেন্দ্রবিন্দুতে পরিণত করেছে। এছাড়াও, Ga2O3-এর কেবল চমৎকার ভৌত বৈশিষ্ট্যই নেই, বরং এটি বিভিন্ন ধরনের সহজে পরিবর্তনযোগ্য এন-টাইপ ডোপিং প্রযুক্তি, সেইসাথে স্বল্প খরচের সাবস্ট্রেট গ্রোথ এবং এপিট্যাক্সি প্রযুক্তিও প্রদান করে। এখন পর্যন্ত Ga2O3-তে পাঁচটি ভিন্ন ক্রিস্টাল ফেজ আবিষ্কৃত হয়েছে, যার মধ্যে রয়েছে করান্ডাম (α), মনোক্লিনিক (β), ডিফেক্টিভ স্পিনেল (γ), কিউবিক (δ) এবং অর্থোরম্বিক (ɛ) ফেজ। এদের তাপগতিগত স্থিতিশীলতা ক্রমানুসারে হলো γ, δ, α, ɛ এবং β। এটি লক্ষণীয় যে, মনোক্লিনিক β-Ga2O3 সবচেয়ে স্থিতিশীল, বিশেষ করে উচ্চ তাপমাত্রায়, যেখানে অন্যান্য ফেজগুলো কক্ষ তাপমাত্রার উপরে মেটাস্টেবল এবং নির্দিষ্ট তাপীয় পরিস্থিতিতে β ফেজে রূপান্তরিত হওয়ার প্রবণতা দেখায়। তাই, সাম্প্রতিক বছরগুলোতে পাওয়ার ইলেকট্রনিক্স ক্ষেত্রে β-Ga2O3-ভিত্তিক ডিভাইসের উন্নয়ন একটি প্রধান কেন্দ্রবিন্দুতে পরিণত হয়েছে।

সারণি ১: কিছু সেমিকন্ডাক্টর উপাদানের পরামিতির তুলনা

মনোক্লিনিক β-Ga2O3-এর কেলাস কাঠামো সারণি ১-এ দেখানো হয়েছে। এর ল্যাটিস প্যারামিটারগুলো হলো a = ১২.২১ Å, b = ৩.০৪ Å, c = ৫.৮ Å, এবং β = ১০৩.৮°। একক কোষটি মোচড়ানো চতুস্তলীয় সমন্বয়যুক্ত Ga(I) পরমাণু এবং অষ্টতলীয় সমন্বয়যুক্ত Ga(II) পরমাণু দ্বারা গঠিত। “মোচড়ানো ঘনক” বিন্যাসে অক্সিজেন পরমাণুর তিনটি ভিন্ন বিন্যাস রয়েছে, যার মধ্যে দুটি ত্রিভুজীয়ভাবে সমন্বিত O(I) ও O(II) পরমাণু এবং একটি চতুস্তলীয়ভাবে সমন্বিত O(III) পরমাণু অন্তর্ভুক্ত। এই দুই ধরনের পারমাণবিক সমন্বয়ের সংমিশ্রণ β-Ga2O3-এর অ্যানাইসোট্রপির কারণ, যা পদার্থবিদ্যা, রাসায়নিক ক্ষয়, আলোকবিজ্ঞান এবং ইলেকট্রনিক্সে বিশেষ বৈশিষ্ট্য প্রদর্শন করে।

চিত্র ১ মনোক্লিনিক β-Ga2O3 স্ফটিকের পরিকল্পিত কাঠামোগত চিত্র

শক্তি ব্যান্ড তত্ত্বের দৃষ্টিকোণ থেকে, β-Ga2O3-এর কন্ডাকশন ব্যান্ডের সর্বনিম্ন মানটি Ga পরমাণুর 4s0 হাইব্রিড অরবিটের সাথে সঙ্গতিপূর্ণ শক্তি স্তর থেকে নির্ণয় করা হয়। কন্ডাকশন ব্যান্ডের সর্বনিম্ন মান এবং ভ্যাকুয়াম শক্তি স্তরের (ইলেকট্রন অ্যাফিনিটি শক্তি) মধ্যে শক্তির পার্থক্য পরিমাপ করা হয়, যা ৪ eV। β-Ga2O3-এর কার্যকরী ইলেকট্রন ভর ০.২৮–০.৩৩ me পরিমাপ করা হয়েছে এবং এর ইলেকট্রনিক পরিবাহিতা অনুকূল। তবে, ভ্যালেন্স ব্যান্ডের সর্বোচ্চ মানটি খুব কম বক্রতা এবং দৃঢ়ভাবে স্থানীয়কৃত O2p অরবিটালসহ একটি অগভীর Ek বক্ররেখা প্রদর্শন করে, যা ইঙ্গিত দেয় যে হোলগুলো গভীরভাবে স্থানীয়কৃত। এই বৈশিষ্ট্যগুলো β-Ga2O3-তে পি-টাইপ ডোপিং অর্জনের ক্ষেত্রে একটি বিশাল চ্যালেঞ্জ তৈরি করে। এমনকি যদি পি-টাইপ ডোপিং অর্জন করাও যায়, হোলের μ খুব নিম্ন স্তরেই থেকে যায়। ২. বাল্ক গ্যালিয়াম অক্সাইড একক স্ফটিকের বৃদ্ধি। এখন পর্যন্ত, β-Ga2O3 বাল্ক একক স্ফটিক সাবস্ট্রেটের বৃদ্ধির পদ্ধতি প্রধানত ক্রিস্টাল পুলিং পদ্ধতি, যেমন চোজরালস্কি (CZ), এজ-ডিফাইন্ড থিন ফিল্ম ফিডিং পদ্ধতি (এজ-ডিফাইন্ড ফিল্ম-ফেড, EFG), ব্রিজম্যান (আর্টিকাল বা হরাইজন্টাল ব্রিজম্যান, HB বা VB) এবং ফ্লোটিং জোন (ফ্লোটিং জোন, FZ) প্রযুক্তি। সমস্ত পদ্ধতির মধ্যে, চোজরালস্কি এবং এজ-ডিফাইন্ড থিন-ফিল্ম ফিডিং পদ্ধতি ভবিষ্যতে β-Ga2O3 ওয়েফারের ব্যাপক উৎপাদনের জন্য সবচেয়ে সম্ভাবনাময় পথ বলে মনে করা হচ্ছে, কারণ এগুলি একই সাথে বৃহৎ আয়তন এবং কম ত্রুটির ঘনত্ব অর্জন করতে পারে। এখন পর্যন্ত, জাপানের নোভেল ক্রিস্টাল টেকনোলজি মেল্ট গ্রোথ β-Ga2O3-এর জন্য একটি বাণিজ্যিক ম্যাট্রিক্স তৈরি করেছে।

১.১ চোজরালস্কি পদ্ধতি

চোজরালস্কি পদ্ধতির মূলনীতি হলো, প্রথমে বীজ স্তর (seed layer) দেওয়া হয় এবং তারপর গলিত অবস্থা থেকে একক স্ফটিক (single crystal) ধীরে ধীরে বের করে আনা হয়। এর ব্যয়-সাশ্রয়ীতা, বড় আকারের উৎপাদন ক্ষমতা এবং উচ্চ মানের স্ফটিক সাবস্ট্রেট গ্রোথের কারণে β-Ga2O3-এর জন্য চোজরালস্কি পদ্ধতি ক্রমশ গুরুত্বপূর্ণ হয়ে উঠছে। তবে, Ga2O3-এর উচ্চ-তাপমাত্রার গ্রোথের সময় তাপীয় চাপের কারণে একক স্ফটিক ও গলিত পদার্থের বাষ্পীভবন ঘটে এবং ইরিডিয়াম (Ir) ক্রুসিবলের ক্ষতি হয়। Ga2O3-তে কম এন-টাইপ (n-type) ডোপিং অর্জন করা কঠিন হওয়ার ফলেই এটি ঘটে। গ্রোথ পরিবেশে উপযুক্ত পরিমাণে অক্সিজেন প্রবেশ করানো এই সমস্যা সমাধানের একটি উপায়। অপটিমাইজেশনের মাধ্যমে, চোজরালস্কি পদ্ধতিতে 10^16~10^19 cm-3 মুক্ত ইলেকট্রন ঘনত্ব পরিসীমা এবং 160 cm2/Vs সর্বোচ্চ ইলেকট্রন ঘনত্ব সহ উচ্চ-মানের ২-ইঞ্চি β-Ga2O3 সফলভাবে উৎপাদন করা হয়েছে।

চিত্র ২ চোজরালস্কি পদ্ধতিতে উৎপন্ন β-Ga2O3-এর একক স্ফটিক।

১.২ প্রান্ত-সংজ্ঞায়িত ফিল্ম ফিডিং পদ্ধতি

বৃহৎ ক্ষেত্রফল বিশিষ্ট Ga2O3 একক স্ফটিক পদার্থের বাণিজ্যিক উৎপাদনের জন্য প্রান্ত-সংজ্ঞায়িত পাতলা ফিল্ম সরবরাহ পদ্ধতিকে প্রধান প্রতিযোগী হিসেবে বিবেচনা করা হয়। এই পদ্ধতির মূলনীতি হলো, একটি কৈশিক ছিদ্রযুক্ত ছাঁচে গলিত পদার্থ স্থাপন করা হয় এবং কৈশিক ক্রিয়ার মাধ্যমে গলিত পদার্থটি ছাঁচের উপরে উঠে আসে। উপরে, একটি পাতলা ফিল্ম তৈরি হয় এবং বীজ স্ফটিক দ্বারা স্ফটিকায়নের জন্য প্ররোচিত হওয়ার সময় এটি সব দিকে ছড়িয়ে পড়ে। এছাড়াও, ফ্লেক, টিউব বা যেকোনো কাঙ্ক্ষিত জ্যামিতিক আকারে স্ফটিক উৎপাদনের জন্য ছাঁচের উপরের প্রান্তগুলো নিয়ন্ত্রণ করা যায়। Ga2O3-এর প্রান্ত-সংজ্ঞায়িত পাতলা ফিল্ম সরবরাহ পদ্ধতি দ্রুত বৃদ্ধির হার এবং বড় ব্যাস প্রদান করে। চিত্র ৩-এ একটি β-Ga2O3 একক স্ফটিকের ডায়াগ্রাম দেখানো হয়েছে। এছাড়াও, আকারের দিক থেকে, চমৎকার স্বচ্ছতা এবং একরূপতা সহ ২-ইঞ্চি এবং ৪-ইঞ্চি β-Ga2O3 সাবস্ট্রেট বাণিজ্যিকভাবে চালু করা হয়েছে, যেখানে ৬-ইঞ্চি সাবস্ট্রেটটি ভবিষ্যতের বাণিজ্যিকীকরণের জন্য গবেষণায় প্রদর্শিত হচ্ছে। সম্প্রতি, (−২০১) অভিমুখীকরণ সহ বৃহৎ বৃত্তাকার একক-স্ফটিক বাল্ক পদার্থও সহজলভ্য হয়েছে। এছাড়াও, β-Ga2O3 প্রান্ত-সংজ্ঞায়িত ফিল্ম ফিডিং পদ্ধতিটি ট্রানজিশন মেটাল মৌলগুলির ডোপিংকেও উৎসাহিত করে, যা Ga2O3-এর গবেষণা ও প্রস্তুতিকে সম্ভব করে তোলে।

চিত্র ৩: প্রান্ত-সংজ্ঞায়িত ফিল্ম ফিডিং পদ্ধতিতে উৎপন্ন β-Ga2O3 একক স্ফটিক।

১.৩ ব্রিজম্যান পদ্ধতি

ব্রিজম্যান পদ্ধতিতে, একটি ক্রুসিবলকে তাপমাত্রার তারতম্যের মধ্য দিয়ে ধীরে ধীরে চালনা করে ক্রিস্টাল তৈরি করা হয়। এই প্রক্রিয়াটি অনুভূমিক বা উল্লম্বভাবে করা যেতে পারে, এবং সাধারণত একটি ঘূর্ণায়মান ক্রুসিবল ব্যবহার করা হয়। উল্লেখ্য যে, এই পদ্ধতিতে ক্রিস্টাল সিড ব্যবহার করা হতেও পারে বা নাও হতে পারে। প্রচলিত ব্রিজম্যান অপারেটররা গলন এবং ক্রিস্টাল বৃদ্ধির প্রক্রিয়া সরাসরি দেখতে পান না এবং তাদের অত্যন্ত সূক্ষ্মতার সাথে তাপমাত্রা নিয়ন্ত্রণ করতে হয়। উল্লম্ব ব্রিজম্যান পদ্ধতি প্রধানত β-Ga2O3-এর বৃদ্ধির জন্য ব্যবহৃত হয় এবং এটি বায়ু পরিবেশে বৃদ্ধি করার ক্ষমতার জন্য পরিচিত। উল্লম্ব ব্রিজম্যান পদ্ধতিতে বৃদ্ধির প্রক্রিয়ার সময়, গলিত পদার্থ এবং ক্রুসিবলের মোট ভর হ্রাস ১%-এর নিচে রাখা হয়, যা ন্যূনতম ক্ষয়ক্ষতিতে বড় β-Ga2O3 একক ক্রিস্টালের বৃদ্ধি সম্ভব করে তোলে।

চিত্র ৪ ব্রিজম্যান পদ্ধতিতে উৎপন্ন β-Ga2O3-এর একক স্ফটিক।

১.৪ ভাসমান অঞ্চল পদ্ধতি

ফ্লোটিং জোন পদ্ধতি ক্রুসিবলের উপাদান দ্বারা ক্রিস্টাল দূষণের সমস্যার সমাধান করে এবং উচ্চ তাপমাত্রা-প্রতিরোধী ইনফ্রারেড ক্রুসিবলের সাথে যুক্ত উচ্চ ব্যয় হ্রাস করে। এই গ্রোথ প্রক্রিয়ার সময়, গলিত পদার্থকে আরএফ উৎসের পরিবর্তে একটি ল্যাম্প দ্বারা উত্তপ্ত করা যেতে পারে, ফলে গ্রোথ সরঞ্জামের প্রয়োজনীয়তা সহজ হয়ে যায়। যদিও ফ্লোটিং জোন পদ্ধতিতে উৎপাদিত β-Ga2O3-এর আকৃতি এবং ক্রিস্টালের গুণমান এখনও সর্বোত্তম নয়, এই পদ্ধতিটি সাশ্রয়ী মূল্যে উচ্চ-বিশুদ্ধ β-Ga2O3 থেকে একক ক্রিস্টাল তৈরির একটি সম্ভাবনাময় পথ খুলে দেয়।

চিত্র ৫: ফ্লোটিং জোন পদ্ধতিতে উৎপন্ন β-Ga2O3 একক স্ফটিক।