गॅलियम ऑक्साईड एकल स्फटिक आणि एपिटॅक्सियल वाढ तंत्रज्ञान

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) आणि गॅलियम नायट्राइड (GaN) द्वारे दर्शविलेल्या वाइड बँडगॅप (WBG) सेमीकंडक्टर्सना व्यापक प्रसिद्धी मिळाली आहे. इलेक्ट्रिक वाहने आणि पॉवर ग्रिडमध्ये सिलिकॉन कार्बाइडच्या, तसेच फास्ट चार्जिंगमध्ये गॅलियम नायट्राइडच्या उपयोजन क्षमतेबद्दल लोकांना मोठ्या अपेक्षा आहेत. अलिकडच्या वर्षांत, Ga2O3, AlN आणि डायमंड मटेरियल्सवरील संशोधनाने लक्षणीय प्रगती केली आहे, ज्यामुळे अल्ट्रा-वाइड बँडगॅप सेमीकंडक्टर मटेरियल्स आकर्षणाचे केंद्र बनले आहेत. त्यापैकी, गॅलियम ऑक्साइड (Ga2O3) हे एक उदयोन्मुख अल्ट्रा-वाइड-बँडगॅप सेमीकंडक्टर मटेरियल आहे, ज्याचा बँडगॅप 4.8 eV, सैद्धांतिक क्रिटिकल ब्रेकडाउन फील्ड स्ट्रेंथ सुमारे 8 MV cm-1, सॅचुरेशन वेलॉसिटी सुमारे 2E7cm s-1 आणि उच्च बालिगा क्वालिटी फॅक्टर 3000 आहे. यामुळे हाय व्होल्टेज आणि हाय फ्रिक्वेन्सी पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्सच्या क्षेत्रात याला व्यापक प्रसिद्धी मिळत आहे.

१. गॅलियम ऑक्साइड पदार्थाची वैशिष्ट्ये

Ga2O3 मध्ये मोठा बँड गॅप (४.८ eV) आहे, त्यामुळे उच्च व्होल्टेज सहनशक्ती आणि उच्च शक्ती क्षमता दोन्ही साध्य करण्याची अपेक्षा आहे, आणि तुलनेने कमी रोधावर उच्च व्होल्टेज अनुकूलतेची क्षमता असू शकते, ज्यामुळे ते सध्याच्या संशोधनाचे केंद्रबिंदू बनले आहे. याव्यतिरिक्त, Ga2O3 मध्ये केवळ उत्कृष्ट भौतिक गुणधर्मच नाहीत, तर ते विविध सहजपणे समायोजित करता येणारी एन-टाइप डोपिंग तंत्रज्ञान, तसेच कमी खर्चाचे सबस्ट्रेट ग्रोथ आणि एपिटॅक्सी तंत्रज्ञान देखील प्रदान करते. आतापर्यंत, Ga2O3 मध्ये पाच भिन्न क्रिस्टल टप्पे शोधले गेले आहेत, ज्यात कोरंडम (α), मोनोक्लिनिक (β), डिफेक्टिव्ह स्पिनेल (γ), क्यूबिक (δ) आणि ऑर्थोरॉम्बिक (ɛ) टप्प्यांचा समावेश आहे. थर्मोडायनॅमिक स्थिरता अनुक्रमे γ, δ, α, ɛ, आणि β आहे. हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की मोनोक्लिनिक β-Ga2O3 सर्वात स्थिर आहे, विशेषतः उच्च तापमानात, तर इतर टप्पे सामान्य तापमानापेक्षा जास्त तापमानात अस्थिर असतात आणि विशिष्ट थर्मल परिस्थितीत β टप्प्यात रूपांतरित होण्याची प्रवृत्ती दर्शवतात. त्यामुळे, अलिकडच्या वर्षांत पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्सच्या क्षेत्रात β-Ga2O3-आधारित उपकरणांचा विकास हा एक प्रमुख केंद्रबिंदू बनला आहे.

तक्ता १ काही सेमीकंडक्टर मटेरियल पॅरामीटर्सची तुलना

मोनोक्लिनिक β-Ga2O3 ची स्फटिक रचना तक्ता १ मध्ये दर्शविली आहे. त्याच्या जालक मापदंडांमध्ये a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, आणि β = 103.8° यांचा समावेश आहे. एकक पेशीमध्ये पिळवटलेल्या चतुष्कोणीय समन्वयाचे Ga(I) अणू आणि अष्टकोणीय समन्वयाचे Ga(II) अणू असतात. "पिळवटलेल्या घन" रचनेत ऑक्सिजन अणूंच्या तीन वेगवेगळ्या मांडण्या आहेत, ज्यात दोन त्रिकोणी समन्वयाचे O(I) आणि O(II) अणू आणि एक चतुष्कोणीय समन्वयाचा O(III) अणू यांचा समावेश आहे. या दोन प्रकारच्या अणूंच्या समन्वयाच्या संयोगामुळे β-Ga2O3 मध्ये अनिसोट्रॉपी निर्माण होते, ज्यामुळे भौतिकशास्त्र, रासायनिक क्षरण, प्रकाशिकी आणि इलेक्ट्रॉनिक्समध्ये विशेष गुणधर्म प्राप्त होतात.

आकृती १ मोनोक्लिनिक β-Ga2O3 स्फटिकाचा योजनाबद्ध संरचनात्मक आराखडा

एनर्जी बँड सिद्धांताच्या दृष्टिकोनातून, β-Ga2O3 च्या कंडक्शन बँडचे किमान मूल्य हे Ga अणूच्या 4s0 हायब्रीड ऑर्बिटशी संबंधित ऊर्जा स्थितीवरून काढले जाते. कंडक्शन बँडचे किमान मूल्य आणि व्हॅक्यूम एनर्जी लेव्हल (इलेक्ट्रॉन ॲफिनिटी एनर्जी) यांच्यातील ऊर्जेचा फरक 4 eV मोजला गेला आहे. β-Ga2O3 चे प्रभावी इलेक्ट्रॉन वस्तुमान 0.28–0.33 me मोजले गेले आहे आणि त्याची इलेक्ट्रॉनिक चालकता अनुकूल आहे. तथापि, व्हॅलेन्स बँड मॅक्सिमम अत्यंत कमी वक्रतेसह एक उथळ Ek वक्र आणि तीव्रपणे स्थानिकृत O2p ऑर्बिटल्स दर्शवते, जे सूचित करते की होल्स खोलवर स्थानिकृत आहेत. ही वैशिष्ट्ये β-Ga2O3 मध्ये p-प्रकारचे डोपिंग साध्य करण्यासाठी एक मोठे आव्हान निर्माण करतात. जरी p-प्रकारचे डोपिंग साध्य करता आले, तरी होल μ खूप कमी पातळीवर राहते. २. बल्क गॅलियम ऑक्साईड सिंगल क्रिस्टलची वाढ. आतापर्यंत, β-Ga2O3 बल्क सिंगल क्रिस्टल सबस्ट्रेटच्या वाढीची पद्धत प्रामुख्याने क्रिस्टल पुलिंग पद्धत आहे, जसे की झोक्रालस्की (CZ), एज-डिफाइन्ड थिन फिल्म फीडिंग पद्धत (एज-डिफाइन्ड फिल्म-फेड, EFG), ब्रिजमन (उभ्या किंवा आडव्या ब्रिजमन, HB किंवा VB) आणि फ्लोटिंग झोन (फ्लोटिंग झोन, FZ) तंत्रज्ञान. या सर्व पद्धतींपैकी, झोक्रालस्की आणि एज-डिफाइन्ड थिन-फिल्म फीडिंग पद्धती भविष्यात β-Ga2O3 वेफर्सच्या मोठ्या प्रमाणावरील उत्पादनासाठी सर्वात आशादायक मार्ग ठरतील अशी अपेक्षा आहे, कारण त्या एकाच वेळी मोठे आकारमान आणि कमी दोष घनता साध्य करू शकतात. आतापर्यंत, जपानच्या नोव्हेल क्रिस्टल टेक्नॉलॉजीने वितळवून वाढवलेल्या β-Ga2O3 साठी एक व्यावसायिक मॅट्रिक्स साकारला आहे.

१.१ झोक्राल्स्की पद्धत

झोक्रालस्की पद्धतीचे तत्त्व असे आहे की, प्रथम सीड लेयर (बीज थर) आच्छादित केला जातो आणि नंतर वितळलेल्या पदार्थातून एकल स्फटिक हळूहळू बाहेर काढला जातो. झोक्रालस्की पद्धत तिच्या किफायतशीरपणा, मोठ्या आकाराच्या क्षमता आणि उच्च स्फटिक गुणवत्तेच्या सब्सट्रेटच्या वाढीमुळे β-Ga2O3 साठी अधिकाधिक महत्त्वाची ठरत आहे. तथापि, Ga2O3 च्या उच्च-तापमान वाढीदरम्यान निर्माण होणाऱ्या औष्णिक ताणामुळे, एकल स्फटिकांचे आणि वितळलेल्या पदार्थांचे बाष्पीभवन होते, तसेच इरिडियम (Ir) क्रुसिबलचे नुकसान होते. Ga2O3 मध्ये कमी n-प्रकारचे डोपिंग साध्य करण्यात येणाऱ्या अडचणीमुळे हे घडते. वाढीच्या वातावरणात योग्य प्रमाणात ऑक्सिजनचा समावेश करणे हा या समस्येवरचा एक उपाय आहे. ऑप्टिमायझेशनद्वारे, झोक्रालस्की पद्धतीद्वारे १०¹⁶~१०¹⁹ cm⁻³ मुक्त इलेक्ट्रॉन सांद्रता श्रेणी आणि १६० cm²/Vs कमाल इलेक्ट्रॉन घनता असलेले उच्च-गुणवत्तेचे २-इंच β-Ga2O3 यशस्वीरित्या वाढवण्यात आले आहे.

आकृती २. झोक्रालस्की पद्धतीने वाढवलेला β-Ga2O3 चा एकल स्फटिक

१.२ एज-डिफाइन्ड फिल्म फीडिंग पद्धत

मोठ्या क्षेत्रातील Ga2O3 एकल स्फटिक पदार्थांच्या व्यावसायिक उत्पादनासाठी, कडा-परिभाषित पातळ थर भरण्याची पद्धत ही एक प्रमुख दावेदार मानली जाते. या पद्धतीचे तत्त्व असे आहे की, वितळलेला पदार्थ केशिका छिद्र असलेल्या साच्यात ठेवला जातो आणि केशिका क्रियेद्वारे तो साच्यात वर चढतो. सर्वात वरच्या बाजूला, एक पातळ थर तयार होतो आणि बीज स्फटिकाद्वारे स्फटिकीकरणासाठी प्रेरित होत असताना तो सर्व दिशांना पसरतो. याव्यतिरिक्त, स्फटिकांचे पातळ पापुद्रे, नळ्या किंवा कोणत्याही इच्छित भूमितीमध्ये उत्पादन करण्यासाठी साच्याच्या वरच्या भागाच्या कडा नियंत्रित केल्या जाऊ शकतात. Ga2O3 ची कडा-परिभाषित पातळ थर भरण्याची पद्धत जलद वाढीचा दर आणि मोठे व्यास प्रदान करते. आकृती ३ मध्ये β-Ga2O3 एकल स्फटिकाचा आरेख दर्शविला आहे. याव्यतिरिक्त, आकाराच्या बाबतीत, उत्कृष्ट पारदर्शकता आणि एकसमानता असलेले २-इंच आणि ४-इंच β-Ga2O3 सब्सट्रेट्स व्यावसायिकरित्या उपलब्ध झाले आहेत, तर ६-इंच सब्सट्रेट भविष्यातील व्यापारीकरणासाठी संशोधनाखाली आहे. अलीकडे, (−२०१) अभिमुखतेसह मोठे गोलाकार एकल-स्फटिक स्थूल पदार्थ देखील उपलब्ध झाले आहेत. याव्यतिरिक्त, β-Ga2O3 एज-डिफाइन्ड फिल्म फीडिंग पद्धत संक्रमण धातूंच्या घटकांच्या डोपिंगला देखील प्रोत्साहन देते, ज्यामुळे Ga2O3 चे संशोधन आणि तयारी शक्य होते.

आकृती ३ एज-डिफाइन्ड फिल्म फीडिंग पद्धतीने वाढवलेला β-Ga2O3 एकल स्फटिक

१.३ ब्रिजमन पद्धत

ब्रिजमन पद्धतीमध्ये, तापमानाच्या प्रवणतेमधून हळूहळू हलवल्या जाणाऱ्या मुशीमध्ये स्फटिक तयार केले जातात. ही प्रक्रिया आडव्या किंवा उभ्या स्थितीत केली जाऊ शकते, आणि यासाठी सामान्यतः फिरणारी मुशी वापरली जाते. हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की या पद्धतीत स्फटिक बीजांचा वापर केला जाऊ शकतो किंवा नाही. पारंपरिक ब्रिजमन ऑपरेटर्सना वितळण्याची आणि स्फटिक वाढीची प्रक्रिया थेट पाहता येत नाही आणि त्यांना अत्यंत अचूकतेने तापमान नियंत्रित करावे लागते. उभी ब्रिजमन पद्धत प्रामुख्याने β-Ga2O3 च्या वाढीसाठी वापरली जाते आणि ती हवेच्या वातावरणात वाढ करण्याच्या क्षमतेसाठी ओळखली जाते. उभ्या ब्रिजमन पद्धतीच्या वाढ प्रक्रियेदरम्यान, वितळलेल्या पदार्थाचे आणि मुशीचे एकूण वस्तुमान नुकसान १% पेक्षा कमी ठेवले जाते, ज्यामुळे कमीत कमी नुकसानीसह मोठ्या β-Ga2O3 एकल स्फटिकांची वाढ करणे शक्य होते.

आकृती ४ ब्रिजमन पद्धतीने वाढवलेला β-Ga2O3 चा एकल स्फटिक

१.४ फ्लोटिंग झोन पद्धत

फ्लोटिंग झोन पद्धत क्रुसिबलच्या साहित्यामुळे होणाऱ्या स्फटिकांच्या दूषिततेची समस्या सोडवते आणि उच्च तापमान प्रतिरोधक इन्फ्रारेड क्रुसिबलशी संबंधित मोठा खर्च कमी करते. या वाढ प्रक्रियेदरम्यान, वितळलेल्या पदार्थाला आरएफ स्रोताऐवजी दिव्याद्वारे गरम केले जाऊ शकते, ज्यामुळे वाढ उपकरणांसाठीच्या गरजा सोप्या होतात. जरी फ्लोटिंग झोन पद्धतीने वाढवलेल्या β-Ga2O3 चा आकार आणि स्फटिकांची गुणवत्ता अद्याप सर्वोत्तम नसली तरी, ही पद्धत कमी खर्चात उच्च-शुद्धतेचे β-Ga2O3 एकल स्फटिकांमध्ये वाढवण्यासाठी एक आशादायक मार्ग खुला करते.

आकृती ५ फ्लोटिंग झोन पद्धतीने वाढवलेला β-Ga2O3 एकल स्फटिक.