गैलियम ऑक्साइड एकल क्रिस्टल और एपिटैक्सियल विकास प्रौद्योगिकी

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) और गैलियम नाइट्राइड (GaN) द्वारा दर्शाए गए वाइड बैंडगैप (WBG) सेमीकंडक्टर ने व्यापक ध्यान आकर्षित किया है। लोगों को इलेक्ट्रिक वाहनों और पावर ग्रिड में सिलिकॉन कार्बाइड के अनुप्रयोग की संभावनाओं के साथ-साथ फास्ट चार्जिंग में गैलियम नाइट्राइड के अनुप्रयोग की संभावनाओं के बारे में उच्च उम्मीदें हैं। हाल के वर्षों में, Ga2O3, AlN और हीरे की सामग्रियों पर शोध ने महत्वपूर्ण प्रगति की है, जिससे अल्ट्रा-वाइड बैंडगैप सेमीकंडक्टर सामग्री ध्यान का केंद्र बन गई है। उनमें से, गैलियम ऑक्साइड (Ga2O3) एक उभरती हुई अल्ट्रा-वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर सामग्री है जिसमें 4.8 eV का बैंड गैप, लगभग 8 MV cm-1 की सैद्धांतिक महत्वपूर्ण ब्रेकडाउन फ़ील्ड ताकत, लगभग 2E7cm s-1 का संतृप्ति वेग और 3000 का उच्च बालिगा गुणवत्ता कारक है, जो उच्च वोल्टेज और उच्च आवृत्ति वाले पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में व्यापक ध्यान आकर्षित कर रहा है।

1. गैलियम ऑक्साइड सामग्री विशेषताएँ

Ga2O3 में एक बड़ा बैंड गैप (4.8 eV) है, इससे उच्च सहनीय वोल्टेज और उच्च शक्ति क्षमता दोनों प्राप्त करने की उम्मीद की जाती है, और अपेक्षाकृत कम प्रतिरोध पर उच्च वोल्टेज अनुकूलनशीलता की क्षमता हो सकती है, जिससे वे वर्तमान शोध का केंद्र बन जाते हैं। इसके अलावा, Ga2O3 में न केवल उत्कृष्ट भौतिक गुण हैं, बल्कि यह आसानी से समायोज्य n-प्रकार डोपिंग प्रौद्योगिकियों की एक किस्म, साथ ही कम लागत वाली सब्सट्रेट वृद्धि और एपिटैक्सी प्रौद्योगिकियों को भी प्रदान करता है। अब तक, Ga2O3 में पाँच अलग-अलग क्रिस्टल चरण खोजे गए हैं, जिनमें कोरन्डम (α), मोनोक्लिनिक (β), दोषपूर्ण स्पिनल (γ), क्यूबिक (δ) और ऑर्थोरोम्बिक (ɛ) चरण शामिल हैं। थर्मोडायनामिक स्थिरताएं, क्रम में, γ, δ, α, ɛ और β हैं। इसलिए, हाल के वर्षों में विद्युत इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में β-Ga2O3-आधारित उपकरणों का विकास एक प्रमुख केंद्र बन गया है।

तालिका 1 कुछ अर्धचालक पदार्थ मापदंडों की तुलना

मोनोक्लिनिकβ-Ga2O3 की क्रिस्टल संरचना तालिका 1 में दिखाई गई है। इसके जाली मापदंडों में a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, और β = 103.8° शामिल हैं। यूनिट सेल में मुड़े हुए टेट्राहेड्रल समन्वय वाले Ga(I) परमाणु और अष्टफलकीय समन्वय वाले Ga(II) परमाणु होते हैं। "मुड़ क्यूबिक" सरणी में ऑक्सीजन परमाणुओं की तीन अलग-अलग व्यवस्थाएँ हैं, जिनमें दो त्रिकोणीय रूप से समन्वित O(I) और O(II) परमाणु और एक टेट्राहेड्रल रूप से समन्वित O(III) परमाणु शामिल हैं। इन दो प्रकार के परमाणु समन्वय के संयोजन से भौतिकी, रासायनिक संक्षारण, प्रकाशिकी और इलेक्ट्रॉनिक्स में विशेष गुणों के साथ β-Ga2O3 की विषमता होती है।

चित्र 1 मोनोक्लिनिक β-Ga2O3 क्रिस्टल का योजनाबद्ध संरचनात्मक आरेख

ऊर्जा बैंड सिद्धांत के परिप्रेक्ष्य से, β-Ga2O3 के चालन बैंड का न्यूनतम मूल्य Ga परमाणु के 4s0 हाइब्रिड कक्षा के अनुरूप ऊर्जा स्थिति से प्राप्त होता है। चालन बैंड के न्यूनतम मूल्य और वैक्यूम ऊर्जा स्तर (इलेक्ट्रॉन बंधुता ऊर्जा) के बीच ऊर्जा अंतर मापा जाता है। 4 eV है। β-Ga2O3 का प्रभावी इलेक्ट्रॉन द्रव्यमान 0.28–0.33 me और इसकी अनुकूल इलेक्ट्रॉनिक चालकता के रूप में मापा जाता है। हालांकि, वैलेंस बैंड अधिकतम बहुत कम वक्रता और दृढ़ता से स्थानीयकृत O2p ऑर्बिटल्स के साथ एक उथला Ek वक्र प्रदर्शित करता है, जो यह सुझाव देता है कि छिद्र गहराई से स्थानीयकृत हैं। ये विशेषताएं β-Ga2O3 में p-टाइप डोपिंग हासिल करने के लिए एक बड़ी चुनौती पेश करती हैं 2. बल्क गैलियम ऑक्साइड सिंगल क्रिस्टल की वृद्धि अब तक, β-Ga2O3 बल्क सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेट की वृद्धि विधि मुख्य रूप से क्रिस्टल पुलिंग विधि है, जैसे कि Czochralski (CZ), एज-डिफ़ाइंड थिन फ़िल्म फीडिंग विधि (एज-डिफ़ाइंड फ़िल्म-फ़ेड, EFG), ब्रिजमैन (रेक्टिकल या हॉरिजॉन्टल ब्रिजमैन, HB या VB) और फ़्लोटिंग ज़ोन (फ़्लोटिंग ज़ोन, FZ) तकनीक। सभी विधियों में से, Czochralski और एज-डिफ़ाइंड थिन-फ़िल्म फीडिंग विधियाँ भविष्य में β-Ga 2O3 वेफ़र्स के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए सबसे आशाजनक रास्ते होने की उम्मीद है, क्योंकि वे एक साथ बड़ी मात्रा और कम दोष घनत्व प्राप्त कर सकते हैं। अब तक, जापान की नोवेल क्रिस्टल टेक्नोलॉजी ने पिघल वृद्धि β-Ga2O3 के लिए एक वाणिज्यिक मैट्रिक्स का एहसास किया है।

1.1 ज़ोक्राल्स्की विधि

ज़ोक्रल्स्की विधि का सिद्धांत यह है कि पहले बीज परत को कवर किया जाता है, और फिर एकल क्रिस्टल को धीरे-धीरे पिघल से बाहर निकाला जाता है। ज़ोक्रल्स्की विधि अपनी लागत-प्रभावशीलता, बड़े आकार की क्षमताओं और उच्च क्रिस्टल गुणवत्ता वाले सब्सट्रेट विकास के कारण β-Ga2O3 के लिए तेजी से महत्वपूर्ण है। हालांकि, Ga2O3 के उच्च तापमान विकास के दौरान थर्मल तनाव के कारण, एकल क्रिस्टल, पिघले हुए पदार्थों का वाष्पीकरण और इर क्रूसिबल को नुकसान होगा। यह Ga2O3 में कम n-प्रकार के डोपिंग को प्राप्त करने में कठिनाई का परिणाम है। विकास वातावरण में ऑक्सीजन की एक उचित मात्रा का परिचय इस समस्या को हल करने का एक तरीका है। अनुकूलन के माध्यम से, 10^16 ~ 10^19 सेमी-3 की मुक्त इलेक्ट्रॉन सांद्रता सीमा और 160 सेमी 2 / वीएस की अधिकतम इलेक्ट्रॉन घनत्व के साथ उच्च गुणवत्ता वाले 2-इंच β-Ga2O3 को ज़ोक्रल्स्की विधि द्वारा सफलतापूर्वक उगाया गया है।

चित्र 2 ज़ोक्रल्स्की विधि द्वारा विकसित β-Ga2O3 का एकल क्रिस्टल

1.2 एज-डिफ़ाइंड फ़िल्म फीडिंग विधि

एज-डिफ़ाइंड थिन फ़िल्म फीडिंग विधि को बड़े क्षेत्र वाले Ga2O3 एकल क्रिस्टल पदार्थों के व्यावसायिक उत्पादन के लिए अग्रणी दावेदार माना जाता है। इस विधि का सिद्धांत पिघले हुए पदार्थ को केशिका स्लिट वाले साँचे में रखना है, और पिघले पदार्थ को केशिका क्रिया के माध्यम से साँचे में ऊपर की ओर चढ़ाना है। शीर्ष पर, एक पतली फिल्म बनती है और बीज क्रिस्टल द्वारा क्रिस्टलीकृत होने के लिए प्रेरित होने के दौरान सभी दिशाओं में फैलती है। इसके अतिरिक्त, साँचे के शीर्ष के किनारों को गुच्छे, ट्यूब या किसी भी वांछित ज्यामिति में क्रिस्टल बनाने के लिए नियंत्रित किया जा सकता है। Ga2O3 की एज-डिफ़ाइंड थिन फ़िल्म फीडिंग विधि तेज़ वृद्धि दर और बड़े व्यास प्रदान करती है। चित्र 3 में β-Ga2O3 एकल क्रिस्टल का आरेख दिखाया गया है। इसके अलावा, आकार के पैमाने के संदर्भ में, उत्कृष्ट पारदर्शिता और एकरूपता वाले 2-इंच और 4-इंच β-Ga2O3 सब्सट्रेट का व्यावसायीकरण किया गया है, जबकि 6-इंच सब्सट्रेट को भविष्य के व्यावसायीकरण के लिए शोध में प्रदर्शित किया गया है। हाल ही में, (−201) अभिविन्यास के साथ बड़े गोलाकार एकल-क्रिस्टल बल्क सामग्री भी उपलब्ध हो गई है। इसके अलावा, β-Ga2O3 एज-डिफ़ाइंड फ़िल्म फीडिंग विधि भी संक्रमण धातु तत्वों के डोपिंग को बढ़ावा देती है, जिससे Ga2O3 का शोध और तैयारी संभव हो जाती है।

चित्र 3 β-Ga2O3 एकल क्रिस्टल एज-डिफ़ाइंड फ़िल्म फीडिंग विधि द्वारा विकसित

1.3 ब्रिजमैन विधि

ब्रिजमैन विधि में, क्रिस्टल एक क्रूसिबल में बनते हैं जिसे धीरे-धीरे तापमान ढाल के माध्यम से घुमाया जाता है। प्रक्रिया क्षैतिज या ऊर्ध्वाधर अभिविन्यास में की जा सकती है, आमतौर पर एक घूर्णन क्रूसिबल का उपयोग करके। यह ध्यान देने योग्य है कि यह विधि क्रिस्टल के बीजों का उपयोग कर सकती है या नहीं भी कर सकती है। पारंपरिक ब्रिजमैन ऑपरेटरों में पिघलने और क्रिस्टल विकास प्रक्रियाओं के प्रत्यक्ष दृश्य की कमी होती है और उन्हें उच्च परिशुद्धता के साथ तापमान को नियंत्रित करना चाहिए। ऊर्ध्वाधर ब्रिजमैन विधि मुख्य रूप से β-Ga2O3 की वृद्धि के लिए उपयोग की जाती है और इसे वायु वातावरण में बढ़ने की क्षमता के लिए जाना जाता है। ऊर्ध्वाधर ब्रिजमैन विधि वृद्धि प्रक्रिया के दौरान, पिघल और क्रूसिबल का कुल द्रव्यमान नुकसान 1% से कम रखा जाता है, जिससे न्यूनतम नुकसान के साथ बड़े β-Ga2O3 एकल क्रिस्टल की वृद्धि संभव हो जाती है।

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

1.4 फ्लोटिंग ज़ोन विधि

फ्लोटिंग ज़ोन विधि क्रूसिबल सामग्रियों द्वारा क्रिस्टल संदूषण की समस्या को हल करती है और उच्च तापमान प्रतिरोधी अवरक्त क्रूसिबल से जुड़ी उच्च लागत को कम करती है। इस वृद्धि प्रक्रिया के दौरान, पिघले हुए पदार्थ को आरएफ स्रोत के बजाय एक लैंप द्वारा गर्म किया जा सकता है, इस प्रकार वृद्धि उपकरणों की आवश्यकताओं को सरल बनाया जा सकता है। हालाँकि फ्लोटिंग ज़ोन विधि द्वारा उगाए गए β-Ga2O3 का आकार और क्रिस्टल गुणवत्ता अभी तक इष्टतम नहीं है, यह विधि उच्च शुद्धता वाले β-Ga2O3 को बजट-अनुकूल एकल क्रिस्टल में विकसित करने के लिए एक आशाजनक विधि खोलती है।

चित्र 5 फ्लोटिंग ज़ोन विधि द्वारा विकसित β-Ga2O3 एकल क्रिस्टल।