ग्यालियम अक्साइड सिंगल क्रिस्टल र एपिटेक्सियल ग्रोथ टेक्नोलोजी

सिलिकन कार्बाइड (SiC) र ग्यालियम नाइट्राइड (GaN) द्वारा प्रतिनिधित्व गरिएको वाइड ब्यान्डग्याप (WBG) अर्धचालकहरूले व्यापक ध्यान प्राप्त गरेका छन्। विद्युतीय सवारी साधन र पावर ग्रिडहरूमा सिलिकन कार्बाइडको प्रयोग सम्भावनाहरू, साथै द्रुत चार्जिङमा ग्यालियम नाइट्राइडको प्रयोग सम्भावनाहरूको लागि मानिसहरूको उच्च अपेक्षा छ। हालका वर्षहरूमा, Ga2O3, AlN र हीरा सामग्रीहरूमा अनुसन्धानले महत्त्वपूर्ण प्रगति गरेको छ, जसले अल्ट्रा-वाइड ब्यान्डग्याप अर्धचालक सामग्रीहरूलाई ध्यानको केन्द्र बनाएको छ। ती मध्ये, ग्यालियम अक्साइड (Ga2O3) एक उदीयमान अल्ट्रा-वाइड-ब्यान्डग्याप अर्धचालक सामग्री हो जसको ब्यान्ड ग्याप ४.८ eV, सैद्धान्तिक महत्वपूर्ण ब्रेकडाउन क्षेत्र शक्ति लगभग ८ MV cm-१, संतृप्ति वेग लगभग २E७cm s-१, र उच्च बालिगा गुणस्तर कारक ३००० हो, जसले उच्च भोल्टेज र उच्च आवृत्ति पावर इलेक्ट्रोनिक्सको क्षेत्रमा व्यापक ध्यान प्राप्त गरिरहेको छ।

१. ग्यालियम अक्साइड सामग्री विशेषताहरू

Ga2O3 मा ठूलो ब्यान्ड ग्याप (4.8 eV) छ, यसले उच्च प्रतिरोधी भोल्टेज र उच्च शक्ति क्षमता दुवै प्राप्त गर्ने अपेक्षा गरिएको छ, र अपेक्षाकृत कम प्रतिरोधमा उच्च भोल्टेज अनुकूलन क्षमताको सम्भावना हुन सक्छ, जसले गर्दा तिनीहरूलाई हालको अनुसन्धानको केन्द्रबिन्दु बनाउँछ। थप रूपमा, Ga2O3 मा उत्कृष्ट भौतिक गुणहरू मात्र छैनन्, तर सजिलै समायोज्य n-प्रकार डोपिङ प्रविधिहरू, साथै कम लागतको सब्सट्रेट वृद्धि र एपिट्याक्सी प्रविधिहरू पनि प्रदान गर्दछ। अहिलेसम्म, Ga2O3 मा पाँच फरक क्रिस्टल चरणहरू पत्ता लगाइएको छ, जसमा कोरुन्डम (α), मोनोक्लिनिक (β), दोषपूर्ण स्पिनल (γ), क्यूबिक (δ) र ओर्थोरोम्बिक (ɛ) चरणहरू समावेश छन्। थर्मोडायनामिक स्थिरताहरू, क्रमशः, γ, δ, α, ɛ, र β हुन्। यो ध्यान दिन लायक छ कि मोनोक्लिनिक β-Ga2O3 सबैभन्दा स्थिर छ, विशेष गरी उच्च तापक्रममा, जबकि अन्य चरणहरू कोठाको तापक्रमभन्दा माथि मेटास्टेबल हुन्छन् र विशिष्ट थर्मल अवस्थाहरूमा β चरणमा रूपान्तरण हुन्छन्। त्यसकारण, हालैका वर्षहरूमा पावर इलेक्ट्रोनिक्सको क्षेत्रमा β-Ga2O3-आधारित उपकरणहरूको विकास प्रमुख फोकस बनेको छ।

तालिका १ केही अर्धचालक सामग्री प्यारामिटरहरूको तुलना

मोनोक्लिनिकβ-Ga2O3 को क्रिस्टल संरचना तालिका १ मा देखाइएको छ। यसको जाली प्यारामिटरहरूमा a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, र β = 103.8° समावेश छन्। एकाइ कोषमा ट्विस्टेड टेट्राहेड्रल समन्वय भएका Ga(I) परमाणुहरू र अष्टहेड्रल समन्वय भएका Ga(II) परमाणुहरू हुन्छन्। "ट्विस्टेड क्यूबिक" एरेमा अक्सिजन परमाणुहरूको तीन फरक व्यवस्थाहरू छन्, जसमा दुई त्रिकोणीय रूपमा समन्वित O(I) र O(II) परमाणुहरू र एउटा टेट्राहेड्रल रूपमा समन्वित O(III) परमाणु समावेश छन्। यी दुई प्रकारका परमाणु समन्वयको संयोजनले भौतिक विज्ञान, रासायनिक जंग, अप्टिक्स र इलेक्ट्रोनिक्समा विशेष गुणहरू सहित β-Ga2O3 को एनिसोट्रोपीमा पुर्‍याउँछ।

चित्र १ मोनोक्लिनिक β-Ga2O3 क्रिस्टलको योजनाबद्ध संरचनात्मक रेखाचित्र

ऊर्जा ब्यान्ड सिद्धान्तको दृष्टिकोणबाट, β-Ga2O3 को चालन ब्यान्डको न्यूनतम मान Ga परमाणुको 4s0 हाइब्रिड कक्षासँग सम्बन्धित ऊर्जा अवस्थाबाट लिइएको हो। चालन ब्यान्डको न्यूनतम मान र भ्याकुम ऊर्जा स्तर (इलेक्ट्रोन आत्मीयता ऊर्जा) बीचको ऊर्जा भिन्नता मापन गरिएको छ। 4 eV छ। β-Ga2O3 को प्रभावकारी इलेक्ट्रोन द्रव्यमान 0.28–0.33 me र यसको अनुकूल इलेक्ट्रोनिक चालकताको रूपमा मापन गरिएको छ। यद्यपि, भ्यालेन्स ब्यान्ड अधिकतमले धेरै कम वक्रता र बलियो रूपमा स्थानीयकृत O2p कक्षहरू सहितको उथले Ek वक्र प्रदर्शन गर्दछ, जसले प्वालहरू गहिरो रूपमा स्थानीयकृत छन् भनेर सुझाव दिन्छ। यी विशेषताहरूले β-Ga2O3 मा p-प्रकार डोपिङ प्राप्त गर्न ठूलो चुनौती खडा गर्छन्। यदि P-प्रकार डोपिङ प्राप्त गर्न सकिन्छ भने पनि, प्वाल μ धेरै कम स्तरमा रहन्छ। २. बल्क ग्यालियम अक्साइड सिंगल क्रिस्टलको वृद्धि अहिलेसम्म, β-Ga2O3 बल्क सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेटको वृद्धि विधि मुख्यतया क्रिस्टल तान्ने विधि हो, जस्तै Czochralski (CZ), किनारा-परिभाषित पातलो फिल्म खुवाउने विधि (एज-परिभाषित फिल्म-फेड, EFG), Bridgman (rtical वा तेर्सो Bridgman, HB वा VB) र फ्लोटिंग जोन (फ्लोटिंग जोन, FZ) प्रविधि। सबै विधिहरू मध्ये, Czochralski र किनारा-परिभाषित पातलो-फिल्म खुवाउने विधिहरू भविष्यमा β-Ga 2O3 वेफरहरूको ठूलो उत्पादनको लागि सबैभन्दा आशाजनक माध्यम हुने अपेक्षा गरिएको छ, किनकि तिनीहरूले एकै साथ ठूलो मात्रा र कम दोष घनत्व प्राप्त गर्न सक्छन्। अहिलेसम्म, जापानको नोभेल क्रिस्टल टेक्नोलोजीले β-Ga2O3 पग्लने वृद्धिको लागि व्यावसायिक म्याट्रिक्स महसुस गरेको छ।

१.१ चोक्राल्स्की विधि

Czochralski विधिको सिद्धान्त यो हो कि पहिले बीउ तहलाई ढाकिन्छ, र त्यसपछि एकल क्रिस्टललाई बिस्तारै पग्लिएको ठाउँबाट बाहिर निकालिन्छ। Czochralski विधि β-Ga2O3 को लागि यसको लागत-प्रभावकारिता, ठूलो आकार क्षमताहरू, र उच्च क्रिस्टल गुणस्तर सब्सट्रेट वृद्धिको कारणले बढ्दो रूपमा महत्त्वपूर्ण छ। यद्यपि, Ga2O3 को उच्च-तापमान वृद्धिको समयमा थर्मल तनावको कारण, एकल क्रिस्टलको वाष्पीकरण, पग्लने सामग्रीहरू, र Ir क्रूसिबलमा क्षति हुनेछ। यो Ga2O3 मा कम n-प्रकार डोपिङ प्राप्त गर्न कठिनाइको परिणाम हो। वृद्धि वायुमण्डलमा अक्सिजनको उपयुक्त मात्रा परिचय गराउनु यो समस्या समाधान गर्ने एक तरिका हो। अनुकूलन मार्फत, १०^१६~१०^१९ cm-३ को नि:शुल्क इलेक्ट्रोन सांद्रता दायरा र १६० cm2/Vs को अधिकतम इलेक्ट्रोन घनत्व भएको उच्च-गुणस्तरको २-इन्च β-Ga2O3 सफलतापूर्वक Czochralski विधिद्वारा उब्जाइएको छ।

चित्र २ झोक्राल्स्की विधिद्वारा उब्जाइएको β-Ga2O3 को एकल क्रिस्टल

१.२ किनारा-परिभाषित फिल्म फिडिङ विधि

किनारा-परिभाषित पातलो फिल्म फिडिङ विधिलाई ठूलो-क्षेत्र Ga2O3 एकल क्रिस्टल सामग्रीहरूको व्यावसायिक उत्पादनको लागि अग्रणी दावेदार मानिन्छ। यस विधिको सिद्धान्त भनेको केशिका स्लिट भएको मोल्डमा पिघल राख्नु हो, र केशिका कार्य मार्फत पग्लिएको मोल्डमा उठ्छ। शीर्षमा, बीउ क्रिस्टलद्वारा क्रिस्टलाइज गर्न प्रेरित हुँदा पातलो फिल्म बन्छ र सबै दिशामा फैलिन्छ। थप रूपमा, मोल्डको माथिको किनारहरूलाई फ्लेक्स, ट्यूब, वा कुनै पनि इच्छित ज्यामितिमा क्रिस्टल उत्पादन गर्न नियन्त्रण गर्न सकिन्छ। Ga2O3 को किनारा-परिभाषित पातलो फिल्म फिडिङ विधिले छिटो वृद्धि दर र ठूलो व्यास प्रदान गर्दछ। चित्र ३ ले β-Ga2O3 एकल क्रिस्टलको रेखाचित्र देखाउँछ। थप रूपमा, आकार स्केलको सन्दर्भमा, उत्कृष्ट पारदर्शिता र एकरूपता भएका २-इन्च र ४-इन्च β-Ga2O3 सब्सट्रेटहरू व्यावसायीकरण गरिएको छ, जबकि ६-इन्च सब्सट्रेट भविष्यको व्यावसायीकरणको लागि अनुसन्धानमा प्रदर्शन गरिएको छ। हालै, ठूला गोलाकार एकल-क्रिस्टल थोक सामग्रीहरू पनि (−201) अभिमुखीकरणका साथ उपलब्ध भएका छन्। यसको अतिरिक्त, β-Ga2O3 किनारा-परिभाषित फिल्म फिडिङ विधिले ट्रान्जिसन मेटल तत्वहरूको डोपिङलाई पनि बढावा दिन्छ, जसले गर्दा Ga2O3 को अनुसन्धान र तयारी सम्भव हुन्छ।

चित्र ३ β-Ga2O3 एकल क्रिस्टल किनारा-परिभाषित फिल्म फिडिङ विधिद्वारा उब्जाइएको

१.३ ब्रिजम्यान विधि

ब्रिजम्यान विधिमा, क्रिस्टलहरू क्रुसिबलमा बनाइन्छ जुन बिस्तारै तापक्रम ढाँचा मार्फत सारिन्छ। यो प्रक्रिया तेर्सो वा ठाडो अभिमुखीकरणमा गर्न सकिन्छ, सामान्यतया घुम्ने क्रुसिबल प्रयोग गरेर। यो विधिले क्रिस्टलको बीउ प्रयोग गर्न सक्छ वा नगर्न पनि सक्छ भन्ने कुरा ध्यान दिन लायक छ। परम्परागत ब्रिजम्यान अपरेटरहरूमा पग्लने र क्रिस्टल वृद्धि प्रक्रियाहरूको प्रत्यक्ष दृश्यावलोकनको अभाव हुन्छ र तिनीहरूले उच्च परिशुद्धताका साथ तापक्रम नियन्त्रण गर्नुपर्छ। ठाडो ब्रिजम्यान विधि मुख्यतया β-Ga2O3 को वृद्धिको लागि प्रयोग गरिन्छ र यो हावाको वातावरणमा बढ्न सक्ने क्षमताको लागि परिचित छ। ठाडो ब्रिजम्यान विधि वृद्धि प्रक्रियाको क्रममा, पग्लिएको र क्रुसिबलको कुल द्रव्यमान हानि १% भन्दा कम राखिएको छ, जसले गर्दा न्यूनतम क्षतिका साथ ठूला β-Ga2O3 एकल क्रिस्टलहरूको वृद्धि सक्षम हुन्छ।

चित्र ४ ब्रिजम्यान विधिद्वारा उब्जाइएको β-Ga2O3 को एकल क्रिस्टल

१.४ फ्लोटिंग जोन विधि

फ्लोटिंग जोन विधिले क्रुसिबल सामग्रीहरूद्वारा क्रिस्टल प्रदूषणको समस्या समाधान गर्दछ र उच्च तापक्रम प्रतिरोधी इन्फ्रारेड क्रुसिबलहरूसँग सम्बन्धित उच्च लागत घटाउँछ। यस वृद्धि प्रक्रियाको क्रममा, पग्लिएको पदार्थलाई आरएफ स्रोतको सट्टा बत्तीद्वारा तताउन सकिन्छ, जसले गर्दा वृद्धि उपकरणहरूको आवश्यकताहरू सरल हुन्छन्। फ्लोटिंग जोन विधिद्वारा उब्जाइएको β-Ga2O3 को आकार र क्रिस्टल गुणस्तर अझै इष्टतम नभए पनि, यो विधिले उच्च-शुद्धता β-Ga2O3 लाई बजेट-अनुकूल एकल क्रिस्टलमा बढाउनको लागि एक आशाजनक विधि खोल्छ।

चित्र ५ फ्लोटिंग जोन विधिद्वारा उब्जाइएको β-Ga2O3 एकल क्रिस्टल।