गैलियम ऑक्साइड एकल क्रिस्टल और एपिटैक्सियल वृद्धि प्रौद्योगिकी

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) और गैलियम नाइट्राइड (GaN) जैसे वाइड बैंडगैप (WBG) अर्धचालकों ने व्यापक ध्यान आकर्षित किया है। इलेक्ट्रिक वाहनों और पावर ग्रिड में सिलिकॉन कार्बाइड के अनुप्रयोग की संभावनाओं के साथ-साथ फास्ट चार्जिंग में गैलियम नाइट्राइड के अनुप्रयोग की संभावनाओं को लेकर लोगों में काफी उम्मीदें हैं। हाल के वर्षों में, Ga2O3, AlN और हीरा पदार्थों पर अनुसंधान में महत्वपूर्ण प्रगति हुई है, जिससे अल्ट्रा-वाइड बैंडगैप अर्धचालक पदार्थ ध्यान का केंद्र बन गए हैं। इनमें से, गैलियम ऑक्साइड (Ga2O3) एक उभरता हुआ अल्ट्रा-वाइड-बैंडगैप अर्धचालक पदार्थ है, जिसका बैंडगैप 4.8 eV, सैद्धांतिक क्रांतिक ब्रेकडाउन क्षेत्र शक्ति लगभग 8 MV cm⁻¹, संतृप्ति वेग लगभग 2E7 cm s⁻¹ और उच्च बालिगा गुणवत्ता कारक 3000 है, और उच्च वोल्टेज और उच्च आवृत्ति पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में इसे व्यापक ध्यान मिल रहा है।

1. गैलियम ऑक्साइड सामग्री की विशेषताएं

Ga2O3 में एक बड़ा बैंड गैप (4.8 eV) होता है, जिससे उच्च वोल्टेज और उच्च शक्ति सहन करने की क्षमता की उम्मीद की जाती है, और अपेक्षाकृत कम प्रतिरोध पर उच्च वोल्टेज अनुकूलनशीलता की क्षमता होती है, यही कारण है कि यह वर्तमान अनुसंधान का केंद्र बिंदु है। इसके अलावा, Ga2O3 में न केवल उत्कृष्ट भौतिक गुण हैं, बल्कि यह आसानी से समायोज्य एन-टाइप डोपिंग प्रौद्योगिकियों के साथ-साथ कम लागत वाली सब्सट्रेट वृद्धि और एपिटैक्सी प्रौद्योगिकियां भी प्रदान करता है। अब तक, Ga2O3 में पांच अलग-अलग क्रिस्टल चरण खोजे गए हैं, जिनमें कोरंडम (α), मोनोक्लिनिक (β), दोषपूर्ण स्पिनेल (γ), क्यूबिक (δ) और ऑर्थोरोम्बिक (ɛ) चरण शामिल हैं। ऊष्मागतिक स्थिरता क्रमशः γ, δ, α, ɛ और β हैं। यह उल्लेखनीय है कि मोनोक्लिनिक β-Ga2O3 सबसे स्थिर है, विशेष रूप से उच्च तापमान पर, जबकि अन्य चरण कमरे के तापमान से ऊपर मेटास्टेबल होते हैं और विशिष्ट तापीय स्थितियों के तहत β चरण में परिवर्तित होने की प्रवृत्ति रखते हैं। इसलिए, हाल के वर्षों में पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में β-Ga2O3 आधारित उपकरणों का विकास एक प्रमुख केंद्र बिंदु बन गया है।

तालिका 1 कुछ अर्धचालक सामग्री मापदंडों की तुलना

मोनोक्लिनिक β-Ga2O3 की क्रिस्टल संरचना सारणी 1 में दर्शाई गई है। इसके जालक मापदंडों में a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å और β = 103.8° शामिल हैं। इकाई कोश में घुमावदार चतुष्फलकीय समन्वय वाले Ga(I) परमाणु और अष्टफलकीय समन्वय वाले Ga(II) परमाणु होते हैं। घुमावदार घनीय संरचना में ऑक्सीजन परमाणुओं की तीन अलग-अलग व्यवस्थाएँ हैं, जिनमें दो त्रिभुजाकार समन्वय वाले O(I) और O(II) परमाणु तथा एक चतुष्फलकीय समन्वय वाला O(III) परमाणु शामिल हैं। इन दो प्रकार के परमाणु समन्वय के संयोजन से β-Ga2O3 में विषमता उत्पन्न होती है, जिसके भौतिकी, रासायनिक संक्षारण, प्रकाशिकी और इलेक्ट्रॉनिक्स में विशेष गुण होते हैं।

चित्र 1 मोनोक्लिनिक β-Ga2O3 क्रिस्टल का योजनाबद्ध संरचनात्मक आरेख

ऊर्जा बैंड सिद्धांत के परिप्रेक्ष्य से, β-Ga2O3 के चालन बैंड का न्यूनतम मान Ga परमाणु के 4s0 संकर कक्षा के अनुरूप ऊर्जा अवस्था से प्राप्त किया जाता है। चालन बैंड के न्यूनतम मान और निर्वात ऊर्जा स्तर (इलेक्ट्रॉन बंधुता ऊर्जा) के बीच ऊर्जा अंतर 4 eV मापा गया है। β-Ga2O3 का प्रभावी इलेक्ट्रॉन द्रव्यमान 0.28–0.33 me मापा गया है और इसकी इलेक्ट्रॉनिक चालकता अनुकूल है। हालांकि, संयोजकता बैंड अधिकतम एक उथला Ek वक्र प्रदर्शित करता है जिसमें बहुत कम वक्रता और प्रबल रूप से स्थानीयकृत O2p कक्षक होते हैं, जो यह दर्शाता है कि छिद्र गहरे स्थानीयकृत हैं। ये विशेषताएँ β-Ga2O3 में p-प्रकार की डोपिंग प्राप्त करने में एक बड़ी चुनौती पेश करती हैं। यदि p-प्रकार की डोपिंग प्राप्त भी हो जाती है, तो छिद्र μ बहुत कम स्तर पर ही रहता है। 2. गैलियम ऑक्साइड एकल क्रिस्टल का थोक विकास: अब तक, β-Ga2O3 थोक एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट के विकास की विधि मुख्य रूप से क्रिस्टल पुलिंग विधि है, जैसे कि चोक्रालस्की (CZ), एज-डिफाइंड थिन फिल्म फीडिंग विधि (Edge-Defined film-fed, EFG), ब्रिजमैन (आर्कटिकल या हॉरिजॉन्टल ब्रिजमैन, HB या VB) और फ्लोटिंग ज़ोन (floating zone, FZ) तकनीक। इन सभी विधियों में से, चोक्रालस्की और एज-डिफाइंड थिन-फिल्म फीडिंग विधियों को भविष्य में β-Ga2O3 वेफर्स के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए सबसे आशाजनक माना जाता है, क्योंकि ये एक साथ बड़ी मात्रा और कम दोष घनत्व प्राप्त कर सकती हैं। अब तक, जापान की नोवेल क्रिस्टल टेक्नोलॉजी ने β-Ga2O3 के मेल्ट ग्रोथ के लिए एक व्यावसायिक मैट्रिक्स विकसित किया है।

1.1 चोक्रालस्की विधि

चोक्रालस्की विधि का सिद्धांत यह है कि पहले सीड लेयर को ढक दिया जाता है, और फिर एकल क्रिस्टल को पिघले हुए पदार्थ से धीरे-धीरे बाहर निकाला जाता है। लागत-प्रभावी होने, बड़े आकार की क्षमता और उच्च क्रिस्टल गुणवत्ता वाले सबस्ट्रेट के विकास के कारण β-Ga2O3 के लिए चोक्रालस्की विधि का महत्व लगातार बढ़ता जा रहा है। हालांकि, Ga2O3 के उच्च तापमान पर विकास के दौरान थर्मल तनाव के कारण, एकल क्रिस्टल, पिघले हुए पदार्थों का वाष्पीकरण और IR क्रूसिबल को क्षति हो सकती है। यह Ga2O3 में कम n-प्रकार डोपिंग प्राप्त करने में कठिनाई का परिणाम है। विकास वातावरण में उचित मात्रा में ऑक्सीजन का समावेश इस समस्या को हल करने का एक तरीका है। अनुकूलन के माध्यम से, चोक्रालस्की विधि द्वारा 10^16~10^19 cm-3 की मुक्त इलेक्ट्रॉन सांद्रता सीमा और 160 cm2/Vs के अधिकतम इलेक्ट्रॉन घनत्व वाले उच्च गुणवत्ता वाले 2-इंच β-Ga2O3 का सफलतापूर्वक विकास किया गया है।

चित्र 2. चोक्रालस्की विधि द्वारा उगाया गया β-Ga2O3 का एकल क्रिस्टल

1.2 एज-डिफाइंड फिल्म फीडिंग विधि

एज-डिफाइंड थिन फिल्म फीडिंग विधि को बड़े क्षेत्रफल वाले Ga2O3 सिंगल क्रिस्टल पदार्थों के व्यावसायिक उत्पादन के लिए अग्रणी विकल्प माना जाता है। इस विधि का सिद्धांत यह है कि पिघले हुए पदार्थ को केशिका छिद्र वाले सांचे में रखा जाता है, और केशिका क्रिया द्वारा पिघला हुआ पदार्थ सांचे में ऊपर उठता है। शीर्ष पर, एक पतली फिल्म बनती है और बीज क्रिस्टल द्वारा क्रिस्टलीकरण के लिए प्रेरित होते हुए सभी दिशाओं में फैलती है। इसके अतिरिक्त, सांचे के शीर्ष के किनारों को नियंत्रित करके परतदार, नलिकाकार या किसी भी वांछित आकार के क्रिस्टल बनाए जा सकते हैं। Ga2O3 की एज-डिफाइंड थिन फिल्म फीडिंग विधि से तीव्र वृद्धि दर और बड़े व्यास प्राप्त होते हैं। चित्र 3 में β-Ga2O3 सिंगल क्रिस्टल का आरेख दिखाया गया है। इसके अतिरिक्त, आकार के संदर्भ में, उत्कृष्ट पारदर्शिता और एकरूपता वाले 2-इंच और 4-इंच β-Ga2O3 सब्सट्रेट का व्यावसायीकरण किया जा चुका है, जबकि 6-इंच सब्सट्रेट पर भविष्य में व्यावसायीकरण के लिए शोध कार्य जारी है। हाल ही में, (−201) अभिविन्यास वाले बड़े गोलाकार एकल-क्रिस्टल थोक पदार्थ भी उपलब्ध हो गए हैं। इसके अतिरिक्त, β-Ga2O3 एज-डिफाइंड फिल्म फीडिंग विधि संक्रमण धातु तत्वों के डोपिंग को बढ़ावा देती है, जिससे Ga2O3 का अनुसंधान और निर्माण संभव हो जाता है।

चित्र 3: एज-डिफाइंड फिल्म फीडिंग विधि द्वारा उगाया गया β-Ga2O3 एकल क्रिस्टल

1.3 ब्रिजमैन विधि

ब्रिजमैन विधि में, क्रिस्टल एक क्रूसिबल में बनते हैं जिसे तापमान प्रवणता के माध्यम से धीरे-धीरे घुमाया जाता है। यह प्रक्रिया क्षैतिज या ऊर्ध्वाधर स्थिति में की जा सकती है, आमतौर पर घूर्णनशील क्रूसिबल का उपयोग करके। यह ध्यान देने योग्य है कि इस विधि में क्रिस्टल सीड्स का उपयोग किया जा सकता है या नहीं भी किया जा सकता है। पारंपरिक ब्रिजमैन विधि संचालकों के पास पिघलने और क्रिस्टल वृद्धि प्रक्रियाओं का प्रत्यक्ष दृश्य नहीं होता है और उन्हें तापमान को उच्च परिशुद्धता के साथ नियंत्रित करना होता है। ऊर्ध्वाधर ब्रिजमैन विधि मुख्य रूप से β-Ga2O3 के विकास के लिए उपयोग की जाती है और यह वायु वातावरण में विकास करने की अपनी क्षमता के लिए जानी जाती है। ऊर्ध्वाधर ब्रिजमैन विधि विकास प्रक्रिया के दौरान, पिघले हुए पदार्थ और क्रूसिबल के कुल द्रव्यमान का नुकसान 1% से कम रखा जाता है, जिससे न्यूनतम हानि के साथ बड़े β-Ga2O3 एकल क्रिस्टल का विकास संभव हो पाता है।

चित्र 4 ब्रिजमैन विधि द्वारा विकसित β-Ga2O3 का एकल क्रिस्टल

1.4 फ्लोटिंग ज़ोन विधि

फ्लोटिंग ज़ोन विधि क्रूसिबल सामग्री द्वारा क्रिस्टल संदूषण की समस्या का समाधान करती है और उच्च तापमान प्रतिरोधी इन्फ्रारेड क्रूसिबल से जुड़ी उच्च लागत को कम करती है। इस वृद्धि प्रक्रिया के दौरान, पिघले हुए पदार्थ को आरएफ स्रोत के बजाय लैंप द्वारा गर्म किया जा सकता है, जिससे वृद्धि उपकरण की आवश्यकताएं सरल हो जाती हैं। हालांकि फ्लोटिंग ज़ोन विधि द्वारा उगाए गए β-Ga2O3 का आकार और क्रिस्टल गुणवत्ता अभी तक सर्वोत्तम नहीं है, यह विधि किफायती एकल क्रिस्टल में उच्च शुद्धता वाले β-Ga2O3 को विकसित करने का एक आशाजनक तरीका प्रदान करती है।

चित्र 5: फ्लोटिंग ज़ोन विधि द्वारा उगाया गया β-Ga2O3 एकल क्रिस्टल।