गॅलियम ऑक्साईड सिंगल क्रिस्टल आणि एपिटॅक्सियल ग्रोथ तंत्रज्ञान

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) आणि गॅलियम नायट्राइड (GaN) द्वारे दर्शविलेले वाइड बँडगॅप (WBG) सेमीकंडक्टर व्यापक लक्ष वेधून घेत आहेत. इलेक्ट्रिक वाहने आणि पॉवर ग्रिडमध्ये सिलिकॉन कार्बाइडच्या वापराच्या संभाव्यतेबद्दल तसेच जलद चार्जिंगमध्ये गॅलियम नायट्राइडच्या वापराच्या संभाव्यतेबद्दल लोकांना खूप अपेक्षा आहेत. अलिकडच्या वर्षांत, Ga2O3, AlN आणि डायमंड मटेरियलवरील संशोधनात लक्षणीय प्रगती झाली आहे, ज्यामुळे अल्ट्रा-वाइड बँडगॅप सेमीकंडक्टर मटेरियल लक्ष वेधून घेत आहेत. त्यापैकी, गॅलियम ऑक्साईड (Ga2O3) ही एक उदयोन्मुख अल्ट्रा-वाइड-बँडगॅप सेमीकंडक्टर मटेरियल आहे ज्याचा बँड गॅप 4.8 eV आहे, सैद्धांतिक क्रिटिकल ब्रेकडाउन फील्ड स्ट्रेंथ सुमारे 8 MV cm-1 आहे, संतृप्तता वेग सुमारे 2E7cm s-1 आहे आणि उच्च बॅलिगा गुणवत्ता घटक 3000 आहे, ज्याला उच्च व्होल्टेज आणि उच्च वारंवारता पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्स क्षेत्रात व्यापक लक्ष वेधले जात आहे.

१. गॅलियम ऑक्साईड पदार्थाची वैशिष्ट्ये

Ga2O3 मध्ये मोठा बँड गॅप (4.8 eV) आहे, उच्च प्रतिकार व्होल्टेज आणि उच्च पॉवर क्षमता दोन्ही साध्य करण्याची अपेक्षा आहे आणि तुलनेने कमी प्रतिकारावर उच्च व्होल्टेज अनुकूलतेची क्षमता असू शकते, ज्यामुळे ते सध्याच्या संशोधनाचे केंद्रबिंदू बनतात. याव्यतिरिक्त, Ga2O3 मध्ये केवळ उत्कृष्ट भौतिक गुणधर्म नाहीत तर ते सहजपणे समायोजित करण्यायोग्य n-प्रकार डोपिंग तंत्रज्ञान तसेच कमी किमतीच्या सब्सट्रेट वाढ आणि एपिटॅक्सी तंत्रज्ञान देखील प्रदान करते. आतापर्यंत, Ga2O3 मध्ये पाच वेगवेगळ्या क्रिस्टल टप्प्यांचा शोध लागला आहे, ज्यामध्ये कोरंडम (α), मोनोक्लिनिक (β), दोषपूर्ण स्पिनल (γ), क्यूबिक (δ) आणि ऑर्थोर्होम्बिक (ɛ) टप्प्यांचा समावेश आहे. थर्मोडायनामिक स्थिरता, क्रमाने, γ, δ, α, ɛ आणि β आहेत. हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की मोनोक्लिनिक β-Ga2O3 सर्वात स्थिर आहे, विशेषतः उच्च तापमानात, तर इतर टप्प्या खोलीच्या तापमानापेक्षा मेटास्टेबल असतात आणि विशिष्ट थर्मल परिस्थितीत β टप्प्यात रूपांतरित होतात. म्हणूनच, अलिकडच्या वर्षांत पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्सच्या क्षेत्रात β-Ga2O3-आधारित उपकरणांचा विकास हा एक प्रमुख केंद्रबिंदू बनला आहे.

तक्ता १ काही अर्धवाहक मटेरियल पॅरामीटर्सची तुलना

मोनोक्लिनिकβ-Ga2O3 ची क्रिस्टल रचना तक्ता १ मध्ये दर्शविली आहे. त्याच्या जाळीच्या पॅरामीटर्समध्ये a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, आणि β = 103.8° समाविष्ट आहेत. युनिट सेलमध्ये ट्विस्टेड टेट्राहेड्रल कोऑर्डिनेशन असलेले Ga(I) अणू आणि अष्टहेड्रल कोऑर्डिनेशन असलेले Ga(II) अणू असतात. “ट्विस्टेड क्यूबिक” अ‍ॅरेमध्ये ऑक्सिजन अणूंच्या तीन वेगवेगळ्या व्यवस्था आहेत, ज्यामध्ये दोन त्रिकोणीय समन्वित O(I) आणि O(II) अणू आणि एक टेट्राहेड्रल समन्वित O(III) अणू समाविष्ट आहेत. या दोन प्रकारच्या अणु समन्वयाचे संयोजन भौतिकशास्त्र, रासायनिक गंज, प्रकाशशास्त्र आणि इलेक्ट्रॉनिक्समध्ये विशेष गुणधर्मांसह β-Ga2O3 ची अ‍ॅनिसोट्रॉपीकडे नेतो.

आकृती १ मोनोक्लिनिक β-Ga2O3 क्रिस्टलचे योजनाबद्ध संरचनात्मक आकृती

ऊर्जा बँड सिद्धांताच्या दृष्टिकोनातून, β-Ga2O3 च्या वाहकता बँडचे किमान मूल्य Ga अणूच्या 4s0 संकरित कक्षाशी संबंधित ऊर्जा स्थितीवरून घेतले जाते. वाहकता बँडच्या किमान मूल्य आणि व्हॅक्यूम ऊर्जा पातळी (इलेक्ट्रॉन आत्मीयता ऊर्जा) मधील ऊर्जा फरक 4 eV आहे. β-Ga2O3 चे प्रभावी इलेक्ट्रॉन वस्तुमान 0.28–0.33 me आणि त्याची अनुकूल इलेक्ट्रॉनिक चालकता म्हणून मोजले जाते. तथापि, व्हॅलेन्स बँड कमाल खूप कमी वक्रता आणि जोरदार स्थानिकीकृत O2p ऑर्बिटल्ससह उथळ Ek वक्र प्रदर्शित करते, जे सूचित करते की छिद्रे खोलवर स्थानिकीकृत आहेत. ही वैशिष्ट्ये β-Ga2O3 मध्ये p-प्रकार डोपिंग साध्य करण्यासाठी एक मोठे आव्हान उभे करतात. जरी P-प्रकार डोपिंग साध्य केले जाऊ शकते, तरीही छिद्र μ खूप कमी पातळीवर राहते. २. बल्क गॅलियम ऑक्साईड सिंगल क्रिस्टलची वाढ आतापर्यंत, β-Ga2O3 बल्क सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेटची वाढ पद्धत प्रामुख्याने क्रिस्टल पुलिंग पद्धत आहे, जसे की Czochralski (CZ), एज-डिफाइंड थिन फिल्म फीडिंग पद्धत (एज-डिफाइंड फिल्म-फेड, EFG), ब्रिजमन (rtical किंवा horizontal Bridgman, HB किंवा VB) आणि फ्लोटिंग झोन (फ्लोटिंग झोन, FZ) तंत्रज्ञान. सर्व पद्धतींपैकी, Czochralski आणि एज-डिफाइंड थिन-फिल्म फीडिंग पद्धती भविष्यात β-Ga 2O3 वेफर्सच्या मोठ्या प्रमाणात उत्पादनासाठी सर्वात आशादायक मार्ग असण्याची अपेक्षा आहे, कारण ते एकाच वेळी मोठ्या प्रमाणात आणि कमी दोष घनता प्राप्त करू शकतात. आतापर्यंत, जपानच्या नवीन क्रिस्टल तंत्रज्ञानाने β-Ga2O3 वितळवण्याच्या वाढीसाठी व्यावसायिक मॅट्रिक्स साकारला आहे.

१.१ झोक्राल्स्की पद्धत

झोक्राल्स्की पद्धतीचा सिद्धांत असा आहे की बियाण्याचा थर प्रथम झाकला जातो आणि नंतर सिंगल क्रिस्टल हळूहळू वितळण्यापासून बाहेर काढला जातो. β-Ga2O3 साठी झोक्राल्स्की पद्धत वाढत्या प्रमाणात महत्त्वाची आहे कारण त्याची किंमत-प्रभावीता, मोठ्या आकाराची क्षमता आणि उच्च क्रिस्टल दर्जाची सब्सट्रेट वाढ. तथापि, Ga2O3 च्या उच्च-तापमान वाढीदरम्यान थर्मल ताणामुळे, सिंगल क्रिस्टल्सचे बाष्पीभवन, वितळलेले पदार्थ आणि Ir क्रूसिबलचे नुकसान होईल. Ga2O3 मध्ये कमी n-प्रकारचे डोपिंग साध्य करण्यात येणाऱ्या अडचणीचा हा परिणाम आहे. वाढीच्या वातावरणात योग्य प्रमाणात ऑक्सिजन आणणे ही ही समस्या सोडवण्याचा एक मार्ग आहे. ऑप्टिमायझेशनद्वारे, झोक्राल्स्की पद्धतीने उच्च-गुणवत्तेचे 2-इंच β-Ga2O3 यशस्वीरित्या वाढवले ​​गेले आहे ज्याची मुक्त इलेक्ट्रॉन एकाग्रता श्रेणी 10^16~10^19 cm-3 आहे आणि कमाल इलेक्ट्रॉन घनता 160 cm2/Vs आहे.

आकृती २ झोक्राल्स्की पद्धतीने वाढवलेला β-Ga2O3 चा एकल स्फटिक

१.२ एज-डिफाइंड फिल्म फीडिंग पद्धत

मोठ्या क्षेत्राच्या Ga2O3 सिंगल क्रिस्टल मटेरियलच्या व्यावसायिक उत्पादनासाठी एज-डिफाइंड थिन फिल्म फीडिंग पद्धत ही आघाडीची स्पर्धक मानली जाते. या पद्धतीचा सिद्धांत म्हणजे वितळलेला पदार्थ केशिका स्लिट असलेल्या साच्यात ठेवणे आणि केशिका क्रियेद्वारे वितळलेला पदार्थ साच्यात वर येतो. वरच्या बाजूला, एक पातळ फिल्म तयार होते आणि सर्व दिशांना पसरते आणि बियाणे क्रिस्टलद्वारे स्फटिकीकरण करण्यास प्रेरित होते. याव्यतिरिक्त, साच्याच्या वरच्या कडा नियंत्रित केल्या जाऊ शकतात जेणेकरून फ्लेक्स, ट्यूब किंवा कोणत्याही इच्छित भूमितीमध्ये क्रिस्टल्स तयार होतील. Ga2O3 ची एज-डिफाइंड थिन फिल्म फीडिंग पद्धत जलद वाढ दर आणि मोठे व्यास प्रदान करते. आकृती 3 β-Ga2O3 सिंगल क्रिस्टलचा आकृती दर्शविते. याव्यतिरिक्त, आकाराच्या प्रमाणात, उत्कृष्ट पारदर्शकता आणि एकरूपता असलेले 2-इंच आणि 4-इंच β-Ga2O3 सब्सट्रेट्सचे व्यावसायिकीकरण केले गेले आहे, तर 6-इंच सब्सट्रेट भविष्यातील व्यापारीकरणासाठी संशोधनात प्रदर्शित केले गेले आहे. अलीकडे, (−201) अभिमुखतेसह मोठे वर्तुळाकार सिंगल-क्रिस्टल बल्क मटेरियल देखील उपलब्ध झाले आहेत. याव्यतिरिक्त, β-Ga2O3 एज-डिफाइंड फिल्म फीडिंग पद्धत देखील संक्रमण धातू घटकांच्या डोपिंगला प्रोत्साहन देते, ज्यामुळे Ga2O3 चे संशोधन आणि तयारी शक्य होते.

आकृती ३ एज-डिफाइंड फिल्म फीडिंग पद्धतीने वाढवलेला β-Ga2O3 सिंगल क्रिस्टल

१.३ ब्रिजमन पद्धत

ब्रिजमन पद्धतीमध्ये, क्रिस्टल्स एका क्रूसिबलमध्ये तयार होतात जे हळूहळू तापमान ग्रेडियंटमधून हलवले जाते. ही प्रक्रिया क्षैतिज किंवा उभ्या दिशेने केली जाऊ शकते, सहसा फिरणाऱ्या क्रूसिबलचा वापर करून. हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की ही पद्धत क्रिस्टल बिया वापरू शकते किंवा वापरू शकत नाही. पारंपारिक ब्रिजमन ऑपरेटर वितळण्याच्या आणि क्रिस्टल वाढीच्या प्रक्रियेचे थेट दृश्यमानता गमावतात आणि त्यांना उच्च अचूकतेने तापमान नियंत्रित करावे लागते. उभ्या ब्रिजमन पद्धत प्रामुख्याने β-Ga2O3 च्या वाढीसाठी वापरली जाते आणि ती हवेच्या वातावरणात वाढण्याच्या क्षमतेसाठी ओळखली जाते. उभ्या ब्रिजमन पद्धतीच्या वाढीच्या प्रक्रियेदरम्यान, वितळलेल्या आणि क्रूसिबलचे एकूण वस्तुमान नुकसान 1% पेक्षा कमी ठेवले जाते, ज्यामुळे मोठ्या β-Ga2O3 सिंगल क्रिस्टल्सची वाढ कमीत कमी नुकसानासह शक्य होते.

आकृती ४ ब्रिजमन पद्धतीने वाढवलेला β-Ga2O3 चा एकल स्फटिक

१.४ फ्लोटिंग झोन पद्धत

फ्लोटिंग झोन पद्धत क्रूसिबल मटेरियलद्वारे क्रिस्टल दूषित होण्याची समस्या सोडवते आणि उच्च तापमान प्रतिरोधक इन्फ्रारेड क्रूसिबलशी संबंधित उच्च खर्च कमी करते. या वाढीच्या प्रक्रियेदरम्यान, वितळलेले पदार्थ आरएफ स्रोताऐवजी दिव्याने गरम केले जाऊ शकतात, ज्यामुळे वाढीच्या उपकरणांसाठी आवश्यकता सुलभ होतात. फ्लोटिंग झोन पद्धतीने वाढवलेल्या β-Ga2O3 चा आकार आणि क्रिस्टल गुणवत्ता अद्याप इष्टतम नसली तरी, ही पद्धत उच्च-शुद्धता β-Ga2O3 ला बजेट-फ्रेंडली सिंगल क्रिस्टल्समध्ये वाढवण्यासाठी एक आशादायक पद्धत उघडते.

आकृती ५ फ्लोटिंग झोन पद्धतीने वाढवलेला β-Ga2O3 सिंगल क्रिस्टल.