ગેલિયમ ઓક્સાઇડ સિંગલ ક્રિસ્ટલ અને એપિટેક્સિયલ ગ્રોથ ટેકનોલોજી

સિલિકોન કાર્બાઇડ (SiC) અને ગેલિયમ નાઇટ્રાઇડ (GaN) દ્વારા રજૂ કરાયેલા વાઇડ બેન્ડગેપ (WBG) સેમિકન્ડક્ટર્સે વ્યાપક ધ્યાન ખેંચ્યું છે. ઇલેક્ટ્રિક વાહનો અને પાવર ગ્રીડમાં સિલિકોન કાર્બાઇડના ઉપયોગની સંભાવનાઓ તેમજ ઝડપી ચાર્જિંગમાં ગેલિયમ નાઇટ્રાઇડના ઉપયોગની સંભાવનાઓ માટે લોકો ઉચ્ચ અપેક્ષાઓ ધરાવે છે. તાજેતરના વર્ષોમાં, Ga2O3, AlN અને હીરા સામગ્રી પર સંશોધનમાં નોંધપાત્ર પ્રગતિ થઈ છે, જેના કારણે અલ્ટ્રા-વાઇડ બેન્ડગેપ સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી ધ્યાનનું કેન્દ્ર બની છે. તેમાંથી, ગેલિયમ ઓક્સાઇડ (Ga2O3) એક ઉભરતી અલ્ટ્રા-વાઇડ-બેન્ડગેપ સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી છે જેમાં 4.8 eV નો બેન્ડ ગેપ, લગભગ 8 MV cm-1 ની સૈદ્ધાંતિક ક્રિટિકલ બ્રેકડાઉન ફીલ્ડ સ્ટ્રેન્થ, લગભગ 2E7cm s-1 નો સંતૃપ્તિ વેગ અને 3000 નો ઉચ્ચ બાલિગા ગુણવત્તા પરિબળ છે, જે ઉચ્ચ વોલ્ટેજ અને ઉચ્ચ આવર્તન પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક્સના ક્ષેત્રમાં વ્યાપક ધ્યાન મેળવે છે.

1. ગેલિયમ ઓક્સાઇડ સામગ્રીની લાક્ષણિકતાઓ

Ga2O3 પાસે મોટો બેન્ડ ગેપ (4.8 eV) છે, જે ઉચ્ચ પ્રતિકાર વોલ્ટેજ અને ઉચ્ચ શક્તિ ક્ષમતાઓ બંને પ્રાપ્ત કરવાની અપેક્ષા રાખે છે, અને પ્રમાણમાં ઓછા પ્રતિકાર પર ઉચ્ચ વોલ્ટેજ અનુકૂલનક્ષમતા માટે સંભવિત હોઈ શકે છે, જે તેમને વર્તમાન સંશોધનનું કેન્દ્ર બનાવે છે. વધુમાં, Ga2O3 માત્ર ઉત્તમ સામગ્રી ગુણધર્મો જ નથી, પરંતુ સરળતાથી ગોઠવી શકાય તેવી n-ટાઇપ ડોપિંગ તકનીકો, તેમજ ઓછી કિંમતની સબસ્ટ્રેટ વૃદ્ધિ અને એપિટાક્સી તકનીકો પણ પ્રદાન કરે છે. અત્યાર સુધી, Ga2O3 માં પાંચ અલગ અલગ સ્ફટિક તબક્કાઓ શોધાયા છે, જેમાં કોરન્ડમ (α), મોનોક્લિનિક (β), ખામીયુક્ત સ્પિનલ (γ), ક્યુબિક (δ) અને ઓર્થોરોમ્બિક (ɛ) તબક્કાઓનો સમાવેશ થાય છે. થર્મોડાયનેમિક સ્થિરતા, ક્રમમાં, γ, δ, α, ɛ, અને β છે. એ નોંધવું યોગ્ય છે કે મોનોક્લિનિક β-Ga2O3 સૌથી સ્થિર છે, ખાસ કરીને ઊંચા તાપમાને, જ્યારે અન્ય તબક્કાઓ ઓરડાના તાપમાનથી ઉપર મેટાસ્ટેબલ હોય છે અને ચોક્કસ થર્મલ પરિસ્થિતિઓમાં β તબક્કામાં રૂપાંતરિત થવાનું વલણ ધરાવે છે. તેથી, તાજેતરના વર્ષોમાં પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક્સના ક્ષેત્રમાં β-Ga2O3-આધારિત ઉપકરણોનો વિકાસ એક મુખ્ય કેન્દ્ર બન્યો છે.

કોષ્ટક 1 કેટલાક સેમિકન્ડક્ટર મટીરીયલ પરિમાણોની સરખામણી

મોનોક્લિનિકβ-Ga2O3 નું સ્ફટિક માળખું કોષ્ટક 1 માં બતાવવામાં આવ્યું છે. તેના જાળીના પરિમાણોમાં a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, અને β = 103.8° શામેલ છે. એકમ કોષમાં ટ્વિસ્ટેડ ટેટ્રાહેડ્રલ કોઓર્ડિનેશન સાથે Ga(I) અણુઓ અને અષ્ટહેડ્રલ કોઓર્ડિનેશન સાથે Ga(II) અણુઓનો સમાવેશ થાય છે. "ટ્વિસ્ટેડ ક્યુબિક" એરેમાં ઓક્સિજન અણુઓની ત્રણ અલગ અલગ ગોઠવણીઓ છે, જેમાં બે ત્રિકોણાકાર રીતે સંકલિત O(I) અને O(II) અણુઓ અને એક ટેટ્રાહેડ્રલી સંકલિત O(III) અણુનો સમાવેશ થાય છે. આ બે પ્રકારના અણુ સંકલનનું સંયોજન ભૌતિકશાસ્ત્ર, રાસાયણિક કાટ, ઓપ્ટિક્સ અને ઇલેક્ટ્રોનિક્સમાં વિશેષ ગુણધર્મો ધરાવતા β-Ga2O3 ની એનિસોટ્રોપી તરફ દોરી જાય છે.

આકૃતિ 1 મોનોક્લિનિક β-Ga2O3 સ્ફટિકનું યોજનાકીય માળખાકીય આકૃતિ

ઉર્જા બેન્ડ સિદ્ધાંતના દ્રષ્ટિકોણથી, β-Ga2O3 ના વહન બેન્ડનું લઘુત્તમ મૂલ્ય Ga અણુના 4s0 હાઇબ્રિડ ભ્રમણકક્ષાને અનુરૂપ ઉર્જા સ્થિતિ પરથી મેળવવામાં આવે છે. વહન બેન્ડના લઘુત્તમ મૂલ્ય અને વેક્યુમ ઉર્જા સ્તર (ઇલેક્ટ્રોન એફિનિટી ઉર્જા) વચ્ચેનો ઉર્જા તફાવત 4 eV છે. β-Ga2O3 ના અસરકારક ઇલેક્ટ્રોન દળને 0.28–0.33 me અને તેની અનુકૂળ ઇલેક્ટ્રોનિક વાહકતા તરીકે માપવામાં આવે છે. જો કે, સંયોજકતા બેન્ડ મહત્તમ ખૂબ જ ઓછી વક્રતા અને મજબૂત રીતે સ્થાનિક O2p ભ્રમણકક્ષા સાથે છીછરા Ek વળાંક દર્શાવે છે, જે સૂચવે છે કે છિદ્રો ઊંડાણપૂર્વક સ્થાનિક છે. આ લાક્ષણિકતાઓ β-Ga2O3 માં p-પ્રકાર ડોપિંગ પ્રાપ્ત કરવા માટે એક મોટો પડકાર ઉભો કરે છે. જો P-પ્રકાર ડોપિંગ પ્રાપ્ત કરી શકાય તો પણ, છિદ્ર μ ખૂબ જ નીચા સ્તરે રહે છે. 2. બલ્ક ગેલિયમ ઓક્સાઇડ સિંગલ ક્રિસ્ટલનો વિકાસ અત્યાર સુધી, β-Ga2O3 બલ્ક સિંગલ ક્રિસ્ટલ સબસ્ટ્રેટની વૃદ્ધિ પદ્ધતિ મુખ્યત્વે ક્રિસ્ટલ ખેંચવાની પદ્ધતિ છે, જેમ કે Czochralski (CZ), એજ-ડિફાઇન્ડ થિન ફિલ્મ ફીડિંગ પદ્ધતિ (એજ-ડિફાઇન્ડ ફિલ્મ-ફેડ, EFG), બ્રિજમેન (rtical અથવા horizontal Bridgman, HB અથવા VB) અને ફ્લોટિંગ ઝોન (ફ્લોટિંગ ઝોન, FZ) ટેકનોલોજી. બધી પદ્ધતિઓમાં, Czochralski અને એજ-ડિફાઇન્ડ થિન-ફિલ્મ ફીડિંગ પદ્ધતિઓ ભવિષ્યમાં β-Ga 2O3 વેફરના મોટા પાયે ઉત્પાદન માટે સૌથી આશાસ્પદ માર્ગો હોવાની અપેક્ષા છે, કારણ કે તે એકસાથે મોટા જથ્થા અને ઓછી ખામી ઘનતા પ્રાપ્ત કરી શકે છે. અત્યાર સુધી, જાપાનની નોવેલ ક્રિસ્ટલ ટેકનોલોજીએ β-Ga2O3 ના ઓગળેલા વિકાસ માટે વ્યાપારી મેટ્રિક્સ પ્રાપ્ત કર્યું છે.

૧.૧ ઝોક્રાલ્સ્કી પદ્ધતિ

ઝોક્રાલ્સ્કી પદ્ધતિનો સિદ્ધાંત એ છે કે બીજના સ્તરને પહેલા ઢાંકવામાં આવે છે, અને પછી સિંગલ ક્રિસ્ટલને ધીમે ધીમે ઓગળેલા ભાગમાંથી બહાર કાઢવામાં આવે છે. β-Ga2O3 માટે ઝોક્રાલ્સ્કી પદ્ધતિ વધુને વધુ મહત્વપૂર્ણ બની રહી છે કારણ કે તેની કિંમત-અસરકારકતા, મોટા કદની ક્ષમતાઓ અને ઉચ્ચ સ્ફટિક ગુણવત્તાવાળા સબસ્ટ્રેટ વૃદ્ધિ. જો કે, Ga2O3 ના ઉચ્ચ-તાપમાન વૃદ્ધિ દરમિયાન થર્મલ તણાવને કારણે, સિંગલ ક્રિસ્ટલ્સનું બાષ્પીભવન, ઓગળેલા પદાર્થો અને Ir ક્રુસિબલને નુકસાન થશે. આ Ga2O3 માં ઓછી n-પ્રકારની ડોપિંગ પ્રાપ્ત કરવામાં મુશ્કેલીનું પરિણામ છે. વૃદ્ધિ વાતાવરણમાં યોગ્ય માત્રામાં ઓક્સિજન દાખલ કરવો એ આ સમસ્યાને ઉકેલવાનો એક રસ્તો છે. ઑપ્ટિમાઇઝેશન દ્વારા, 10^16~10^19 cm-3 ની મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન સાંદ્રતા શ્રેણી અને 160 cm2/Vs ની મહત્તમ ઇલેક્ટ્રોન ઘનતા સાથે ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળા 2-ઇંચ β-Ga2O3 ને ઝોક્રાલ્સ્કી પદ્ધતિ દ્વારા સફળતાપૂર્વક ઉગાડવામાં આવ્યું છે.

આકૃતિ 2 ઝોક્રાલ્સ્કી પદ્ધતિ દ્વારા ઉગાડવામાં આવેલ β-Ga2O3 નું એકલ સ્ફટિક

૧.૨ એજ-ડિફાઇન્ડ ફિલ્મ ફીડિંગ પદ્ધતિ

મોટા વિસ્તારવાળા Ga2O3 સિંગલ ક્રિસ્ટલ મટિરિયલ્સના વ્યાપારી ઉત્પાદન માટે ધાર-વ્યાખ્યાયિત પાતળા ફિલ્મ ફીડિંગ પદ્ધતિને અગ્રણી દાવેદાર માનવામાં આવે છે. આ પદ્ધતિનો સિદ્ધાંત એ છે કે મેલ્ટને કેશિલરી સ્લિટવાળા મોલ્ડમાં મૂકવામાં આવે છે, અને કેશિલરી ક્રિયા દ્વારા મેલ્ટ ઘાટમાં ઉપર જાય છે. ટોચ પર, એક પાતળી ફિલ્મ બને છે અને બીજ સ્ફટિક દ્વારા સ્ફટિકીકરણ માટે પ્રેરિત થતી વખતે બધી દિશામાં ફેલાય છે. વધુમાં, મોલ્ડ ટોપની કિનારીઓને ફ્લેક્સ, ટ્યુબ અથવા કોઈપણ ઇચ્છિત ભૂમિતિમાં સ્ફટિકો ઉત્પન્ન કરવા માટે નિયંત્રિત કરી શકાય છે. Ga2O3 ની ધાર-વ્યાખ્યાયિત પાતળા ફિલ્મ ફીડિંગ પદ્ધતિ ઝડપી વૃદ્ધિ દર અને મોટા વ્યાસ પ્રદાન કરે છે. આકૃતિ 3 β-Ga2O3 સિંગલ ક્રિસ્ટલનો આકૃતિ દર્શાવે છે. વધુમાં, કદના સ્કેલની દ્રષ્ટિએ, ઉત્તમ પારદર્શિતા અને એકરૂપતાવાળા 2-ઇંચ અને 4-ઇંચ β-Ga2O3 સબસ્ટ્રેટનું વ્યાપારીકરણ કરવામાં આવ્યું છે, જ્યારે 6-ઇંચ સબસ્ટ્રેટ ભવિષ્યના વ્યાપારીકરણ માટે સંશોધનમાં દર્શાવવામાં આવ્યું છે. તાજેતરમાં, (−201) ઓરિએન્ટેશન સાથે મોટા ગોળાકાર સિંગલ-ક્રિસ્ટલ બલ્ક મટિરિયલ્સ પણ ઉપલબ્ધ થયા છે. વધુમાં, β-Ga2O3 એજ-ડિફાઇન્ડ ફિલ્મ ફીડિંગ પદ્ધતિ પણ ટ્રાન્ઝિશન મેટલ તત્વોના ડોપિંગને પ્રોત્સાહન આપે છે, જેનાથી Ga2O3 નું સંશોધન અને તૈયારી શક્ય બને છે.

આકૃતિ 3 β-Ga2O3 સિંગલ ક્રિસ્ટલ એજ-ડિફાઇન્ડ ફિલ્મ ફીડિંગ પદ્ધતિ દ્વારા ઉગાડવામાં આવે છે

૧.૩ બ્રિજમેન પદ્ધતિ

બ્રિજમેન પદ્ધતિમાં, સ્ફટિકો એક ક્રુસિબલમાં રચાય છે જે ધીમે ધીમે તાપમાન ગ્રેડિયન્ટ દ્વારા ખસેડવામાં આવે છે. આ પ્રક્રિયા આડી અથવા ઊભી દિશામાં કરી શકાય છે, સામાન્ય રીતે ફરતી ક્રુસિબલનો ઉપયોગ કરીને. એ નોંધવું યોગ્ય છે કે આ પદ્ધતિ સ્ફટિક બીજનો ઉપયોગ કરી શકે છે અથવા ન પણ કરી શકે. પરંપરાગત બ્રિજમેન ઓપરેટરો પાસે ગલન અને સ્ફટિક વૃદ્ધિ પ્રક્રિયાઓનું સીધું વિઝ્યુલાઇઝેશન નથી અને તેમને ઉચ્ચ ચોકસાઇ સાથે તાપમાનને નિયંત્રિત કરવું આવશ્યક છે. વર્ટિકલ બ્રિજમેન પદ્ધતિનો ઉપયોગ મુખ્યત્વે β-Ga2O3 ના વિકાસ માટે થાય છે અને તે હવાના વાતાવરણમાં વૃદ્ધિ કરવાની ક્ષમતા માટે જાણીતી છે. વર્ટિકલ બ્રિજમેન પદ્ધતિ વૃદ્ધિ પ્રક્રિયા દરમિયાન, ઓગળેલા અને ક્રુસિબલના કુલ સમૂહ નુકશાનને 1% ની નીચે રાખવામાં આવે છે, જે ન્યૂનતમ નુકસાન સાથે મોટા β-Ga2O3 સિંગલ સ્ફટિકોના વિકાસને સક્ષમ બનાવે છે.

આકૃતિ 4 બ્રિજમેન પદ્ધતિ દ્વારા ઉગાડવામાં આવેલ β-Ga2O3 નું સિંગલ ક્રિસ્ટલ

૧.૪ ફ્લોટિંગ ઝોન પદ્ધતિ

ફ્લોટિંગ ઝોન પદ્ધતિ ક્રુસિબલ સામગ્રી દ્વારા સ્ફટિક દૂષણની સમસ્યાનું નિરાકરણ લાવે છે અને ઉચ્ચ તાપમાન પ્રતિરોધક ઇન્ફ્રારેડ ક્રુસિબલ્સ સાથે સંકળાયેલા ઊંચા ખર્ચને ઘટાડે છે. આ વૃદ્ધિ પ્રક્રિયા દરમિયાન, પીગળેલા પદાર્થને RF સ્ત્રોતને બદલે લેમ્પ દ્વારા ગરમ કરી શકાય છે, આમ વૃદ્ધિ સાધનો માટેની આવશ્યકતાઓને સરળ બનાવે છે. ફ્લોટિંગ ઝોન પદ્ધતિ દ્વારા ઉગાડવામાં આવતા β-Ga2O3 નો આકાર અને સ્ફટિક ગુણવત્તા હજુ સુધી શ્રેષ્ઠ નથી, તેમ છતાં આ પદ્ધતિ ઉચ્ચ-શુદ્ધતા β-Ga2O3 ને બજેટ-ફ્રેંડલી સિંગલ સ્ફટિકોમાં ઉગાડવા માટે એક આશાસ્પદ પદ્ધતિ ખોલે છે.

આકૃતિ 5 ફ્લોટિંગ ઝોન પદ્ધતિ દ્વારા ઉગાડવામાં આવેલ β-Ga2O3 સિંગલ ક્રિસ્ટલ.