گيليم آڪسائيڊ سنگل ڪرسٽل ۽ ايپيٽيڪسيل گروٿ ٽيڪنالاجي

سلڪون ڪاربائيڊ (SiC) ۽ گيليم نائٽرائڊ (GaN) جي نمائندگي ڪندڙ وائڊ بينڊ گيپ (WBG) سيمي ڪنڊڪٽرز کي وڏي پيماني تي ڌيان ڏنو ويو آهي. ماڻهن کي برقي گاڏين ۽ پاور گرڊز ۾ سلڪون ڪاربائيڊ جي ايپليڪيشن جي امڪانن لاءِ وڏيون اميدون آهن، انهي سان گڏ تيز چارجنگ ۾ گيليم نائٽرائڊ جي ايپليڪيشن جي امڪانن لاءِ. تازن سالن ۾، Ga2O3، AlN ۽ هيرن جي مواد تي تحقيق اهم ترقي ڪئي آهي، جنهن جي ڪري الٽرا وائڊ بينڊ گيپ سيمي ڪنڊڪٽر مواد ڌيان جو مرڪز بڻيل آهن. انهن مان، گيليم آڪسائيڊ (Ga2O3) هڪ ابھرندڙ الٽرا وائڊ بينڊ گيپ سيمي ڪنڊڪٽر مواد آهي جنهن جو بينڊ گيپ 4.8 eV آهي، هڪ نظرياتي نازڪ بريڪ ڊائون فيلڊ طاقت تقريباً 8 MV cm-1، هڪ سنترپتي رفتار تقريباً 2E7cm s-1، ۽ هڪ اعليٰ باليگا معيار جو عنصر 3000 آهي، جيڪو هاءِ وولٽيج ۽ هاءِ فريڪوئنسي پاور اليڪٽرانڪس جي ميدان ۾ وڏي پيماني تي ڌيان حاصل ڪري رهيو آهي.

1. گيليم آڪسائيڊ مادي خاصيتون

Ga2O3 ۾ هڪ وڏو بينڊ گيپ (4.8 eV) آهي، توقع ڪئي وئي آهي ته اهو اعليٰ برداشت ڪندڙ وولٽيج ۽ اعليٰ طاقت جي صلاحيت ٻنهي کي حاصل ڪندو، ۽ نسبتاً گهٽ مزاحمت تي اعليٰ وولٽيج موافقت جي صلاحيت رکي سگهي ٿو، جيڪو انهن کي موجوده تحقيق جو مرڪز بڻائي ٿو. ان کان علاوه، Ga2O3 ۾ نه رڳو بهترين مادي خاصيتون آهن، پر آساني سان ترتيب ڏيڻ واري اين-ٽائيپ ڊوپنگ ٽيڪنالاجي جي هڪ قسم، انهي سان گڏ گهٽ قيمت واري سبسٽريٽ واڌ ۽ ايپيٽيڪسي ٽيڪنالاجي پڻ فراهم ڪري ٿي. هاڻي تائين، Ga2O3 ۾ پنج مختلف ڪرسٽل مرحلا دريافت ڪيا ويا آهن، جن ۾ ڪورنڊم (α)، مونوڪلينڪ (β)، خراب اسپينل (γ)، ڪعبي (δ) ۽ آرٿورومبڪ (ɛ) مرحلا شامل آهن. ٿرموڊينامڪ استحڪام، ترتيب سان، γ، δ، α، ɛ، ۽ β آهن. اهو قابل ذڪر آهي ته مونوڪلينڪ β-Ga2O3 سڀ کان وڌيڪ مستحڪم آهي، خاص طور تي اعلي درجه حرارت تي، جڏهن ته ٻيا مرحلا ڪمري جي حرارت کان مٿي ميٽاسٽيبل آهن ۽ مخصوص حرارتي حالتن هيٺ β مرحلي ۾ تبديل ٿيڻ جو رجحان رکن ٿا. تنهن ڪري، β-Ga2O3 تي ٻڌل ڊوائيسز جي ترقي تازن سالن ۾ پاور اليڪٽرانڪس جي ميدان ۾ هڪ وڏو مرڪز بڻجي چڪي آهي.

جدول 1 ڪجهه سيمي ڪنڊڪٽر مادي پيرا ميٽرز جو مقابلو

مونوڪلينڪβ-Ga2O3 جي ڪرسٽل ڍانچي کي جدول 1 ۾ ڏيکاريو ويو آهي. ان جي جالي جي پيرا ميٽرز ۾ a = 12.21 Å، b = 3.04 Å، c = 5.8 Å، ۽ β = 103.8° شامل آهن. يونٽ سيل ۾ Ga(I) ايٽم شامل آهن جن ۾ ٽوسٽ ٿيل ٽيٽراهڊرل ڪوآرڊينيشن ۽ Ga(II) ايٽم آڪٽاهڊرل ڪوآرڊينيشن سان گڏ آهن. "ٽوسٽ ٿيل ڪيوبڪ" ايري ۾ آڪسيجن ايٽم جا ٽي مختلف انتظام آهن، جن ۾ ٻه ٽڪنڊي طور تي هم آهنگ O(I) ۽ O(II) ايٽم ۽ هڪ ٽيٽراهڊرل طور تي هم آهنگ O(III) ايٽم شامل آهن. انهن ٻن قسمن جي ايٽمي ڪوآرڊينيشن جو ميلاپ β-Ga2O3 جي انيسوٽروپي ڏانهن وٺي ٿو جنهن ۾ فزڪس، ڪيميائي سنکنرن، آپٽڪس ۽ اليڪٽرانڪس ۾ خاص خاصيتون آهن.

شڪل 1 مونوڪلينڪ β-Ga2O3 ڪرسٽل جو اسڪيميٽڪ اسٽرڪچرل ڊاگرام

توانائي بينڊ نظريي جي نقطي نظر کان، β-Ga2O3 جي ڪنڊڪشن بينڊ جي گھٽ ۾ گھٽ قدر Ga ايٽم جي 4s0 هائبرڊ مدار سان لاڳاپيل توانائي جي حالت مان نڪتل آهي. ڪنڊڪشن بينڊ جي گھٽ ۾ گھٽ قدر ۽ ويڪيوم توانائي جي سطح (اليڪٽران افينٽي توانائي) جي وچ ۾ توانائي جو فرق ماپيو ويو آهي. 4 eV آهي. β-Ga2O3 جي اثرائتي اليڪٽران ماس کي 0.28–0.33 me ۽ ان جي سازگار اليڪٽرانڪ چالکائي جي طور تي ماپيو ويو آهي. بهرحال، ويلنس بينڊ وڌ ۾ وڌ هڪ گهٽ وکر ۽ مضبوط طور تي مقامي O2p مدار سان هڪ گهٽ Ek وکر ڏيکاري ٿو، اهو مشورو ڏئي ٿو ته سوراخ تمام گهڻي مقامي آهن. اهي خاصيتون β-Ga2O3 ۾ p-قسم جي ڊوپنگ حاصل ڪرڻ لاءِ هڪ وڏو چئلينج پيش ڪن ٿيون. جيتوڻيڪ P-قسم جي ڊوپنگ حاصل ڪري سگهجي ٿي، سوراخ μ تمام گهٽ سطح تي رهي ٿو. 2. بلڪ گيليم آڪسائيڊ سنگل ڪرسٽل جي واڌ هاڻي تائين، β-Ga2O3 بلڪ سنگل ڪرسٽل سبسٽريٽ جي واڌ جو طريقو بنيادي طور تي ڪرسٽل ڇڪڻ جو طريقو آهي، جهڙوڪ Czochralski (CZ)، ايج-ڊيفائنڊ پتلي فلم فيڊنگ طريقو (Edge-Defined film-fed، EFG)، Bridgman (rtical يا horizontal Bridgman، HB يا VB) ۽ فلوٽنگ زون (فلوٽنگ زون، FZ) ٽيڪنالاجي. سڀني طريقن مان، Czochralski ۽ ايج-ڊيفائنڊ پتلي فلم فيڊنگ طريقا مستقبل ۾ β-Ga 2O3 ويفرز جي وڏي پيماني تي پيداوار لاءِ سڀ کان وڌيڪ اميد افزا طريقا هجڻ جي اميد آهي، ڇاڪاڻ ته اهي هڪ ئي وقت وڏي مقدار ۽ گهٽ خرابي جي کثافت حاصل ڪري سگهن ٿا. هاڻي تائين، جاپان جي ناول ڪرسٽل ٽيڪنالاجي پگھلڻ جي واڌ لاءِ هڪ تجارتي ميٽرڪس کي محسوس ڪيو آهي β-Ga2O3.

1.1 چزوڪرالسڪي طريقو

چزوچرالسڪي طريقي جو اصول اهو آهي ته ٻج جي پرت کي پهريان ڍڪيو ويندو آهي، ۽ پوءِ سنگل ڪرسٽل کي آهستي آهستي پگھلڻ مان ڪڍيو ويندو آهي. چزوچرالسڪي طريقو β-Ga2O3 لاءِ ان جي قيمت-اثرائتي، وڏي سائيز جي صلاحيتن، ۽ اعليٰ ڪرسٽل معيار جي سبسٽريٽ جي واڌ جي ڪري وڌيڪ اهم آهي. بهرحال، Ga2O3 جي اعليٰ درجه حرارت جي واڌ دوران حرارتي دٻاءُ جي ڪري، سنگل ڪرسٽل، پگھلندڙ مواد، ۽ Ir ڪروسيبل کي نقصان پهچندو. اهو Ga2O3 ۾ گهٽ n-قسم جي ڊوپنگ حاصل ڪرڻ ۾ مشڪل جو نتيجو آهي. واڌ جي ماحول ۾ آڪسيجن جي مناسب مقدار متعارف ڪرائڻ هن مسئلي کي حل ڪرڻ جو هڪ طريقو آهي. اصلاح ذريعي، اعليٰ معيار جو 2 انچ β-Ga2O3 10^16~10^19 cm-3 جي مفت اليڪٽران ڪنسنٽريشن رينج ۽ 160 cm2/Vs جي وڌ ۾ وڌ اليڪٽران کثافت سان چزوچرالسڪي طريقي سان ڪاميابي سان وڌايو ويو آهي.

شڪل 2 β-Ga2O3 جو سنگل ڪرسٽل جيڪو چزوچرالسڪي طريقي سان اُگايو ويو آهي

1.2 ايج-ڊيفائنڊ فلم فيڊنگ جو طريقو

ايج-ڊيفائنڊ ٿل فلم فيڊنگ طريقو وڏي علائقي واري Ga2O3 سنگل ڪرسٽل مواد جي ڪمرشل پيداوار لاءِ اهم اميدوار سمجهيو ويندو آهي. هن طريقي جو اصول اهو آهي ته پگھل کي ڪيپيلري سلٽ سان ٺهيل ۾ رکيو وڃي، ۽ پگھل ڪيپيلري عمل ذريعي ٺهيل ڏانهن وڌي ٿو. مٿي تي، هڪ پتلي فلم ٺهي ٿي ۽ سڀني طرفن ۾ پکڙجي ٿي جڏهن ته ٻج جي ڪرسٽل ذريعي ڪرسٽل ڪرڻ لاءِ آماده ڪيو وڃي ٿو. اضافي طور تي، مولڊ جي چوٽي جي ڪنارن کي فليڪس، ٽيوب، يا ڪنهن به گهربل جاميٽري ۾ ڪرسٽل پيدا ڪرڻ لاءِ ڪنٽرول ڪري سگهجي ٿو. Ga2O3 جو ايج-ڊيفائنڊ ٿل فلم فيڊنگ طريقو تيز واڌ جي شرح ۽ وڏا قطر فراهم ڪري ٿو. شڪل 3 β-Ga2O3 سنگل ڪرسٽل جو هڪ ڊاگرام ڏيکاري ٿو. ان کان علاوه، سائيز جي پيماني جي لحاظ کان، 2 انچ ۽ 4 انچ β-Ga2O3 سبسٽريٽس کي بهترين شفافيت ۽ هڪجهڙائي سان ڪمرشلائيز ڪيو ويو آهي، جڏهن ته 6 انچ سبسٽريٽ کي مستقبل جي ڪمرشلائيزيشن لاءِ تحقيق ۾ ڏيکاريو ويو آهي. تازو، وڏا گول سنگل ڪرسٽل بلڪ مواد پڻ (−201) اورينٽيشن سان دستياب ٿي چڪا آهن. ان کان علاوه، β-Ga2O3 ايج-ڊيفائنڊ فلم فيڊنگ طريقو پڻ منتقلي ڌاتو عنصرن جي ڊوپنگ کي فروغ ڏئي ٿو، جنهن سان Ga2O3 جي تحقيق ۽ تياري ممڪن ٿي سگهي ٿي.

شڪل 3 β-Ga2O3 سنگل ڪرسٽل جيڪو ايج-ڊيفائنڊ فلم فيڊنگ طريقي سان اُڀريو ويو آهي

1.3 برج مين طريقو

برج مين طريقو ۾، ڪرسٽل هڪ ڪروسيبل ۾ ٺهيل آهن جيڪو بتدريج هڪ گرمي پد جي درجي ذريعي منتقل ڪيو ويندو آهي. اهو عمل افقي يا عمودي رخ ۾ انجام ڏئي سگهجي ٿو، عام طور تي هڪ گھمندڙ ڪروسيبل استعمال ڪندي. اهو نوٽ ڪرڻ جي قابل آهي ته هي طريقو ڪرسٽل ٻج استعمال ڪري سگهي ٿو يا نه ڪري سگهي ٿو. روايتي برج مين آپريٽرز پگھلڻ ۽ ڪرسٽل جي واڌ جي عملن جي سڌي طرح تصور جي کوٽ رکن ٿا ۽ انهن کي اعلي درستگي سان گرمي پد کي ڪنٽرول ڪرڻ گهرجي. عمودي برج مين طريقو بنيادي طور تي β-Ga2O3 جي واڌ لاءِ استعمال ڪيو ويندو آهي ۽ هوائي ماحول ۾ وڌڻ جي صلاحيت لاءِ مشهور آهي. عمودي برج مين طريقو جي واڌ جي عمل دوران، پگھلڻ ۽ ڪروسيبل جي ڪل ماس نقصان کي 1٪ کان گهٽ رکيو ويندو آهي، گهٽ ۾ گهٽ نقصان سان وڏي β-Ga2O3 سنگل ڪرسٽل جي واڌ کي فعال بڻائي ٿو.

شڪل 4 برجمين طريقي سان اُگايل β-Ga2O3 جو سنگل ڪرسٽل

1.4 فلوٽنگ زون جو طريقو

فلوٽنگ زون طريقو ڪروسيبل مواد ذريعي ڪرسٽل آلودگي جي مسئلي کي حل ڪري ٿو ۽ اعليٰ درجه حرارت جي مزاحمتي انفراريڊ ڪروسيبل سان لاڳاپيل اعليٰ قيمتن کي گھٽائي ٿو. هن واڌ جي عمل دوران، پگھل کي آر ايف ذريعو جي بدران ليمپ ذريعي گرم ڪري سگهجي ٿو، اهڙي طرح واڌ جي سامان جي گهرجن کي آسان بڻائي ٿو. جيتوڻيڪ فلوٽنگ زون طريقي سان پوکيل β-Ga2O3 جي شڪل ۽ ڪرسٽل معيار اڃا تائين بهترين نه آهن، هي طريقو اعليٰ پاڪائي β-Ga2O3 کي بجيٽ-دوست سنگل ڪرسٽل ۾ وڌائڻ لاءِ هڪ واعدو ڪندڙ طريقو کوليندو آهي.

شڪل 5 β-Ga2O3 سنگل ڪرسٽل جيڪو فلوٽنگ زون طريقي سان اُڀريو ويو آهي.