ഗാലിയം ഓക്സൈഡ് സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റൽ ആൻഡ് എപ്പിറ്റാക്സിയൽ ഗ്രോത്ത് ടെക്നോളജി

സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് (SiC), ഗാലിയം നൈട്രൈഡ് (GaN) എന്നിവയാൽ പ്രതിനിധീകരിക്കപ്പെടുന്ന വൈഡ് ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് (WBG) സെമികണ്ടക്ടറുകൾ വ്യാപകമായ ശ്രദ്ധ നേടിയിട്ടുണ്ട്. ഇലക്ട്രിക് വാഹനങ്ങളിലും പവർ ഗ്രിഡുകളിലും സിലിക്കൺ കാർബൈഡിന്റെ പ്രയോഗ സാധ്യതകളെക്കുറിച്ചും ഫാസ്റ്റ് ചാർജിംഗിൽ ഗാലിയം നൈട്രൈഡിന്റെ പ്രയോഗ സാധ്യതകളെക്കുറിച്ചും ആളുകൾക്ക് ഉയർന്ന പ്രതീക്ഷകളുണ്ട്. സമീപ വർഷങ്ങളിൽ, Ga2O3, AlN, ഡയമണ്ട് വസ്തുക്കൾ എന്നിവയെക്കുറിച്ചുള്ള ഗവേഷണം ഗണ്യമായ പുരോഗതി കൈവരിച്ചു, ഇത് അൾട്രാ-വൈഡ് ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് സെമികണ്ടക്ടർ വസ്തുക്കളെ ശ്രദ്ധാകേന്ദ്രമാക്കി. അവയിൽ, ഗാലിയം ഓക്സൈഡ് (Ga2O3) 4.8 eV ബാൻഡ് വിടവ്, ഏകദേശം 8 MV cm-1 സൈദ്ധാന്തിക നിർണായക ബ്രേക്ക്ഡൌൺ ഫീൽഡ് ശക്തി, ഏകദേശം 2E7cm s-1 സാച്ചുറേഷൻ പ്രവേഗം, 3000 എന്ന ഉയർന്ന ബാലിഗ ഗുണനിലവാര ഘടകം എന്നിവയുള്ള ഒരു വളർന്നുവരുന്ന അൾട്രാ-വൈഡ്-ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് സെമികണ്ടക്ടർ മെറ്റീരിയലാണ്, ഉയർന്ന വോൾട്ടേജ്, ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി പവർ ഇലക്ട്രോണിക്സ് മേഖലയിൽ വ്യാപകമായ ശ്രദ്ധ നേടുന്നു.

1. ഗാലിയം ഓക്സൈഡ് വസ്തുക്കളുടെ സവിശേഷതകൾ

Ga2O3 ന് ഒരു വലിയ ബാൻഡ് ഗ്യാപ്പ് (4.8 eV) ഉണ്ട്, ഉയർന്ന പ്രതിരോധശേഷിയുള്ള വോൾട്ടേജും ഉയർന്ന പവർ ശേഷിയും കൈവരിക്കുമെന്ന് പ്രതീക്ഷിക്കുന്നു, കൂടാതെ താരതമ്യേന കുറഞ്ഞ പ്രതിരോധത്തിൽ ഉയർന്ന വോൾട്ടേജ് പൊരുത്തപ്പെടുത്തലിനുള്ള സാധ്യതയും ഉണ്ടായിരിക്കും, ഇത് അവയെ നിലവിലെ ഗവേഷണത്തിന്റെ കേന്ദ്രമാക്കി മാറ്റുന്നു. കൂടാതെ, Ga2O3 ന് മികച്ച മെറ്റീരിയൽ ഗുണങ്ങൾ മാത്രമല്ല, എളുപ്പത്തിൽ ക്രമീകരിക്കാവുന്ന വൈവിധ്യമാർന്ന n-ടൈപ്പ് ഡോപ്പിംഗ് സാങ്കേതികവിദ്യകളും കുറഞ്ഞ ചെലവിലുള്ള സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് വളർച്ചയും എപ്പിറ്റാക്സി സാങ്കേതികവിദ്യകളും നൽകുന്നു. ഇതുവരെ, Ga2O3-ൽ അഞ്ച് വ്യത്യസ്ത ക്രിസ്റ്റൽ ഘട്ടങ്ങൾ കണ്ടെത്തിയിട്ടുണ്ട്, അതിൽ കൊറണ്ടം (α), മോണോക്ലിനിക് (β), ഡിഫെക്റ്റീവ് സ്പൈനൽ (γ), ക്യൂബിക് (δ), ഓർത്തോർഹോംബിക് (ɛ) ഘട്ടങ്ങൾ എന്നിവ ഉൾപ്പെടുന്നു. തെർമോഡൈനാമിക് സ്ഥിരതകൾ ക്രമത്തിൽ, γ, δ, α, ɛ, β എന്നിവയാണ്. മോണോക്ലിനിക് β-Ga2O3 ആണ് ഏറ്റവും സ്ഥിരതയുള്ളത്, പ്രത്യേകിച്ച് ഉയർന്ന താപനിലയിൽ, മറ്റ് ഘട്ടങ്ങൾ മുറിയിലെ താപനിലയ്ക്ക് മുകളിൽ മെറ്റാസ്റ്റബിൾ ആയിരിക്കുകയും നിർദ്ദിഷ്ട താപ സാഹചര്യങ്ങളിൽ β ഘട്ടമായി മാറുകയും ചെയ്യുന്നു എന്നത് ശ്രദ്ധിക്കേണ്ടതാണ്. അതുകൊണ്ട്, സമീപ വർഷങ്ങളിൽ പവർ ഇലക്ട്രോണിക്സ് മേഖലയിൽ β-Ga2O3 അധിഷ്ഠിത ഉപകരണങ്ങളുടെ വികസനം ഒരു പ്രധാന ശ്രദ്ധാകേന്ദ്രമായി മാറിയിരിക്കുന്നു.

പട്ടിക 1 ചില സെമികണ്ടക്ടർ മെറ്റീരിയൽ പാരാമീറ്ററുകളുടെ താരതമ്യം

മോണോക്ലിനിക്β-Ga2O3 ന്റെ ക്രിസ്റ്റൽ ഘടന പട്ടിക 1 ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നു. അതിന്റെ ലാറ്റിസ് പാരാമീറ്ററുകളിൽ a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, β = 103.8° എന്നിവ ഉൾപ്പെടുന്നു. യൂണിറ്റ് സെല്ലിൽ വളച്ചൊടിച്ച ടെട്രാഹെഡ്രൽ ഏകോപനമുള്ള Ga(I) ആറ്റങ്ങളും ഒക്ടാഹെഡ്രൽ ഏകോപനമുള്ള Ga(II) ആറ്റങ്ങളും അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു. "വളച്ചൊടിച്ച ക്യൂബിക്" ശ്രേണിയിൽ ഓക്സിജൻ ആറ്റങ്ങളുടെ മൂന്ന് വ്യത്യസ്ത ക്രമീകരണങ്ങളുണ്ട്, അതിൽ രണ്ട് ത്രികോണാകൃതിയിൽ ഏകോപിപ്പിച്ച O(I) ഉം O(II) ഉം ആറ്റങ്ങളും ഒരു ടെട്രാഹെഡ്രലി കോർഡിനേറ്റഡ് O(III) ആറ്റവും ഉൾപ്പെടുന്നു. ഈ രണ്ട് തരം ആറ്റോമിക് ഏകോപനങ്ങളുടെയും സംയോജനം ഭൗതികശാസ്ത്രം, രാസ നാശനം, ഒപ്റ്റിക്സ്, ഇലക്ട്രോണിക്സ് എന്നിവയിൽ പ്രത്യേക ഗുണങ്ങളുള്ള β-Ga2O3 ന്റെ അനീസോട്രോപ്പിയിലേക്ക് നയിക്കുന്നു.

ചിത്രം 1 മോണോക്ലിനിക് β-Ga2O3 ക്രിസ്റ്റലിന്റെ സ്കീമാറ്റിക് സ്ട്രക്ചറൽ ഡയഗ്രം

എനർജി ബാൻഡ് സിദ്ധാന്തത്തിന്റെ വീക്ഷണകോണിൽ, β-Ga2O3 ന്റെ ചാലക ബാൻഡിന്റെ ഏറ്റവും കുറഞ്ഞ മൂല്യം Ga ആറ്റത്തിന്റെ 4s0 ഹൈബ്രിഡ് ഭ്രമണപഥവുമായി ബന്ധപ്പെട്ട ഊർജ്ജാവസ്ഥയിൽ നിന്നാണ് ഉരുത്തിരിഞ്ഞത്. ചാലക ബാൻഡിന്റെ ഏറ്റവും കുറഞ്ഞ മൂല്യവും വാക്വം ഊർജ്ജ നിലയും (ഇലക്ട്രോൺ അഫിനിറ്റി എനർജി) തമ്മിലുള്ള ഊർജ്ജ വ്യത്യാസം 4 eV ആണ്. β-Ga2O3 ന്റെ ഫലപ്രദമായ ഇലക്ട്രോൺ പിണ്ഡം 0.28–0.33 me ഉം അതിന്റെ അനുകൂലമായ ഇലക്ട്രോണിക് ചാലകതയും ആയി അളക്കുന്നു. എന്നിരുന്നാലും, വാലൻസ് ബാൻഡ് പരമാവധി വളരെ കുറഞ്ഞ വക്രതയും ശക്തമായി പ്രാദേശികവൽക്കരിച്ച O2p ഓർബിറ്റലുകളും ഉള്ള ഒരു ആഴം കുറഞ്ഞ Ek വക്രം പ്രദർശിപ്പിക്കുന്നു, ഇത് ദ്വാരങ്ങൾ ആഴത്തിൽ പ്രാദേശികവൽക്കരിച്ചിരിക്കുന്നുവെന്ന് സൂചിപ്പിക്കുന്നു. β-Ga2O3 ൽ p-തരം ഡോപ്പിംഗ് നേടുന്നതിന് ഈ സവിശേഷതകൾ ഒരു വലിയ വെല്ലുവിളി ഉയർത്തുന്നു. P-തരം ഡോപ്പിംഗ് നേടാൻ കഴിയുമെങ്കിലും, ദ്വാരം μ വളരെ താഴ്ന്ന നിലയിലാണ്. 2. ബൾക്ക് ഗാലിയം ഓക്സൈഡ് സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റലിന്റെ വളർച്ച ഇതുവരെ, β-Ga2O3 ബൾക്ക് സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റൽ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിന്റെ വളർച്ചാ രീതി പ്രധാനമായും ക്രിസ്റ്റൽ പുള്ളിംഗ് രീതിയാണ്, ഉദാഹരണത്തിന് സിസോക്രാൽസ്കി (CZ), എഡ്ജ്-ഡിഫൈൻഡ് തിൻ ഫിലിം ഫീഡിംഗ് രീതി (എഡ്ജ് -ഡിഫൈൻഡ് ഫിലിം-ഫെഡ്, EFG), ബ്രിഡ്ജ്മാൻ (ആർട്ടിക്കൽ അല്ലെങ്കിൽ ഹോറിസോണ്ടൽ ബ്രിഡ്ജ്മാൻ, HB അല്ലെങ്കിൽ VB) കൂടാതെ ഫ്ലോട്ടിംഗ് സോൺ (ഫ്ലോട്ടിംഗ് സോൺ, FZ) സാങ്കേതികവിദ്യ. എല്ലാ രീതികളിലും, ഭാവിയിൽ β-Ga 2O3 വേഫറുകളുടെ വൻതോതിലുള്ള ഉൽപ്പാദനത്തിന് ഏറ്റവും പ്രതീക്ഷ നൽകുന്ന വഴികളായി സിസോക്രാൽസ്കി, എഡ്ജ്-ഡിഫൈൻഡ് തിൻ-ഫിലിം ഫീഡിംഗ് രീതികൾ പ്രതീക്ഷിക്കുന്നു, കാരണം അവയ്ക്ക് ഒരേസമയം വലിയ അളവുകളും കുറഞ്ഞ വൈകല്യ സാന്ദ്രതയും നേടാൻ കഴിയും. ഇതുവരെ, ജപ്പാന്റെ നോവൽ ക്രിസ്റ്റൽ ടെക്നോളജി ഉരുകൽ വളർച്ചയ്ക്കുള്ള ഒരു വാണിജ്യ മാട്രിക്സ് β-Ga2O3 തിരിച്ചറിഞ്ഞിട്ടുണ്ട്.

1.1 സോക്രാൽസ്കി രീതി

സോക്രാൽസ്കി രീതിയുടെ തത്വം, ആദ്യം വിത്ത് പാളി മൂടുകയും, പിന്നീട് ഒറ്റ ക്രിസ്റ്റൽ ഉരുകിയതിൽ നിന്ന് പതുക്കെ പുറത്തെടുക്കുകയും ചെയ്യുക എന്നതാണ്. ചെലവ്-ഫലപ്രാപ്തി, വലിയ വലിപ്പത്തിലുള്ള കഴിവുകൾ, ഉയർന്ന ക്രിസ്റ്റൽ ഗുണനിലവാരമുള്ള അടിവസ്ത്ര വളർച്ച എന്നിവ കാരണം സോക്രാൽസ്കി രീതി β-Ga2O3 ന് കൂടുതൽ പ്രാധാന്യമർഹിക്കുന്നു. എന്നിരുന്നാലും, Ga2O3 ന്റെ ഉയർന്ന താപനില വളർച്ചയ്ക്കിടെയുള്ള താപ സമ്മർദ്ദം കാരണം, ഒറ്റ ക്രിസ്റ്റലുകളുടെ ബാഷ്പീകരണം, ഉരുകുന്ന വസ്തുക്കൾ, Ir ക്രൂസിബിളിന് കേടുപാടുകൾ എന്നിവ സംഭവിക്കും. Ga2O3-ൽ കുറഞ്ഞ n-തരം ഡോപ്പിംഗ് നേടുന്നതിലെ ബുദ്ധിമുട്ടിന്റെ ഫലമാണിത്. വളർച്ചാ അന്തരീക്ഷത്തിലേക്ക് ഉചിതമായ അളവിൽ ഓക്സിജൻ അവതരിപ്പിക്കുക എന്നതാണ് ഈ പ്രശ്നം പരിഹരിക്കാനുള്ള ഒരു മാർഗം. ഒപ്റ്റിമൈസേഷൻ വഴി, 10^16~10^19 cm-3 എന്ന സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോൺ സാന്ദ്രത ശ്രേണിയും 160 cm2/Vs എന്ന പരമാവധി ഇലക്ട്രോൺ സാന്ദ്രതയുമുള്ള ഉയർന്ന നിലവാരമുള്ള 2-ഇഞ്ച് β-Ga2O3, സോക്രാൽസ്കി രീതി വിജയകരമായി വളർത്തിയിട്ടുണ്ട്.

ചിത്രം 2 സോക്രാൽസ്കി രീതി ഉപയോഗിച്ച് വളർത്തിയ β-Ga2O3 ന്റെ ഏക ക്രിസ്റ്റൽ.

1.2 എഡ്ജ്-ഡിഫൈൻഡ് ഫിലിം ഫീഡിംഗ് രീതി

വലിയ വിസ്തീർണ്ണമുള്ള Ga2O3 സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റൽ മെറ്റീരിയലുകളുടെ വാണിജ്യ ഉൽ‌പാദനത്തിന് എഡ്ജ്-ഡിഫൈഡ് നേർത്ത ഫിലിം ഫീഡിംഗ് രീതിയാണ് പ്രധാന മത്സരാർത്ഥിയായി കണക്കാക്കപ്പെടുന്നത്. ഈ രീതിയുടെ തത്വം കാപ്പിലറി സ്ലിറ്റ് ഉള്ള ഒരു അച്ചിൽ ഉരുകുക എന്നതാണ്, കൂടാതെ കാപ്പിലറി പ്രവർത്തനത്തിലൂടെ ഉരുകുക അച്ചിലേക്ക് ഉയരുന്നു. മുകളിൽ, ഒരു നേർത്ത ഫിലിം രൂപപ്പെടുകയും എല്ലാ ദിശകളിലേക്കും വ്യാപിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു, അതേസമയം വിത്ത് ക്രിസ്റ്റൽ ക്രിസ്റ്റലൈസ് ചെയ്യാൻ പ്രേരിപ്പിക്കപ്പെടുന്നു. കൂടാതെ, ഫ്ലേക്കുകളിലോ ട്യൂബുകളിലോ അല്ലെങ്കിൽ ഏതെങ്കിലും ആവശ്യമുള്ള ജ്യാമിതിയിലോ പരലുകൾ ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്നതിന് മോൾഡ് ടോപ്പിന്റെ അരികുകൾ നിയന്ത്രിക്കാൻ കഴിയും. Ga2O3 ന്റെ എഡ്ജ്-ഡിഫൈഡ് നേർത്ത ഫിലിം ഫീഡിംഗ് രീതി വേഗത്തിലുള്ള വളർച്ചാ നിരക്കുകളും വലിയ വ്യാസങ്ങളും നൽകുന്നു. ചിത്രം 3 ഒരു β-Ga2O3 സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റലിന്റെ ഒരു ഡയഗ്രം കാണിക്കുന്നു. കൂടാതെ, വലുപ്പ സ്കെയിലിന്റെ കാര്യത്തിൽ, മികച്ച സുതാര്യതയും ഏകീകൃതതയും ഉള്ള 2-ഇഞ്ച്, 4-ഇഞ്ച് β-Ga2O3 സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ വാണിജ്യവൽക്കരിക്കപ്പെട്ടിട്ടുണ്ട്, അതേസമയം 6-ഇഞ്ച് സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് ഭാവി വാണിജ്യവൽക്കരണത്തിനായുള്ള ഗവേഷണത്തിൽ പ്രദർശിപ്പിച്ചിരിക്കുന്നു. അടുത്തിടെ, (−201) ഓറിയന്റേഷനോടുകൂടിയ വലിയ വൃത്താകൃതിയിലുള്ള സിംഗിൾ-ക്രിസ്റ്റൽ ബൾക്ക് മെറ്റീരിയലുകളും ലഭ്യമായി. കൂടാതെ, β-Ga2O3 എഡ്ജ്-ഡിഫൈഡ് ഫിലിം ഫീഡിംഗ് രീതി സംക്രമണ ലോഹ മൂലകങ്ങളുടെ ഡോപ്പിംഗ് പ്രോത്സാഹിപ്പിക്കുകയും Ga2O3 ന്റെ ഗവേഷണവും തയ്യാറാക്കലും സാധ്യമാക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.

ചിത്രം 3 എഡ്ജ്-ഡിഫൈൻഡ് ഫിലിം ഫീഡിംഗ് രീതി ഉപയോഗിച്ച് വളർത്തിയ β-Ga2O3 സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റൽ

1.3 ബ്രിഡ്ജ്മാൻ രീതി

ബ്രിഡ്ജ്മാൻ രീതിയിൽ, താപനില ഗ്രേഡിയന്റിലൂടെ ക്രമേണ നീങ്ങുന്ന ഒരു ക്രൂസിബിളിലാണ് പരലുകൾ രൂപപ്പെടുന്നത്. സാധാരണയായി കറങ്ങുന്ന ക്രൂസിബിൾ ഉപയോഗിച്ച്, തിരശ്ചീനമായോ ലംബമായോ ഓറിയന്റേഷനിൽ ഈ പ്രക്രിയ നടത്താം. ഈ രീതിയിൽ ക്രിസ്റ്റൽ വിത്തുകൾ ഉപയോഗിച്ചേക്കാം അല്ലെങ്കിൽ ഉപയോഗിക്കില്ല എന്നത് ശ്രദ്ധിക്കേണ്ടതാണ്. പരമ്പരാഗത ബ്രിഡ്ജ്മാൻ ഓപ്പറേറ്റർമാർക്ക് ഉരുകൽ, ക്രിസ്റ്റൽ വളർച്ചാ പ്രക്രിയകളുടെ നേരിട്ടുള്ള ദൃശ്യവൽക്കരണം ഇല്ല, കൂടാതെ ഉയർന്ന കൃത്യതയോടെ താപനില നിയന്ത്രിക്കേണ്ടതുണ്ട്. ലംബ ബ്രിഡ്ജ്മാൻ രീതി പ്രധാനമായും β-Ga2O3 ന്റെ വളർച്ചയ്ക്കാണ് ഉപയോഗിക്കുന്നത്, കൂടാതെ വായു അന്തരീക്ഷത്തിൽ വളരാനുള്ള കഴിവിന് പേരുകേട്ടതുമാണ്. ലംബ ബ്രിഡ്ജ്മാൻ രീതി വളർച്ചാ പ്രക്രിയയിൽ, ഉരുകലിന്റെയും ക്രൂസിബിളിന്റെയും ആകെ പിണ്ഡനഷ്ടം 1% ൽ താഴെയായി നിലനിർത്തുന്നു, ഇത് കുറഞ്ഞ നഷ്ടത്തോടെ വലിയ β-Ga2O3 സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റലുകളുടെ വളർച്ച സാധ്യമാക്കുന്നു.

ചിത്രം 4 ബ്രിഡ്ജ്മാൻ രീതി ഉപയോഗിച്ച് വളർത്തിയ β-Ga2O3 ന്റെ സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റൽ.

1.4 ഫ്ലോട്ടിംഗ് സോൺ രീതി

ഫ്ലോട്ടിംഗ് സോൺ രീതി ക്രൂസിബിൾ വസ്തുക്കളാൽ ഉണ്ടാകുന്ന ക്രിസ്റ്റൽ മലിനീകരണത്തിന്റെ പ്രശ്നം പരിഹരിക്കുകയും ഉയർന്ന താപനിലയെ പ്രതിരോധിക്കുന്ന ഇൻഫ്രാറെഡ് ക്രൂസിബിളുകളുമായി ബന്ധപ്പെട്ട ഉയർന്ന ചെലവ് കുറയ്ക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ഈ വളർച്ചാ പ്രക്രിയയിൽ, ഒരു RF സ്രോതസ്സിനുപകരം ഒരു വിളക്ക് ഉപയോഗിച്ച് ഉരുകുന്നത് ചൂടാക്കാൻ കഴിയും, അങ്ങനെ വളർച്ചാ ഉപകരണങ്ങളുടെ ആവശ്യകതകൾ ലളിതമാക്കുന്നു. ഫ്ലോട്ടിംഗ് സോൺ രീതി ഉപയോഗിച്ച് വളർത്തിയ β-Ga2O3 ന്റെ ആകൃതിയും ക്രിസ്റ്റൽ ഗുണനിലവാരവും ഇതുവരെ ഒപ്റ്റിമൽ അല്ലെങ്കിലും, ഉയർന്ന പരിശുദ്ധിയുള്ള β-Ga2O3 നെ ബജറ്റ്-സൗഹൃദ സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റലുകളായി വളർത്തുന്നതിനുള്ള ഒരു വാഗ്ദാനമായ രീതി ഈ രീതി തുറക്കുന്നു.