காலியம் ஆக்சைடு ஒற்றைப் படிகம் மற்றும் எபிடெக்சியல் வளர்ச்சி தொழில்நுட்பம்

சிலிக்கான் கார்பைடு (SiC) மற்றும் காலியம் நைட்ரைடு (GaN) ஆகியவற்றால் குறிப்பிடப்படும் அகன்ற பட்டை இடைவெளி (WBG) குறைக்கடத்திகள் பரவலான கவனத்தைப் பெற்றுள்ளன. மின்சார வாகனங்கள் மற்றும் மின் கட்டமைப்புகளில் சிலிக்கான் கார்பைடின் பயன்பாட்டு வாய்ப்புகள் குறித்தும், அதேபோல் அதிவேக மின்னேற்றத்தில் காலியம் நைட்ரைடின் பயன்பாட்டு வாய்ப்புகள் குறித்தும் மக்கள் அதிக எதிர்பார்ப்புகளைக் கொண்டுள்ளனர். சமீபத்திய ஆண்டுகளில், Ga2O3, AlN மற்றும் வைரப் பொருட்கள் மீதான ஆராய்ச்சி குறிப்பிடத்தக்க முன்னேற்றம் கண்டுள்ளது, இது மீஅகன்ற பட்டை இடைவெளி குறைக்கடத்திப் பொருட்களைக் கவனத்தின் மையமாக மாற்றியுள்ளது. அவற்றுள், காலியம் ஆக்சைடு (Ga2O3) என்பது 4.8 eV பட்டை இடைவெளி, சுமார் 8 MV cm-1 கோட்பாட்டு ரீதியான முக்கியமான முறிவுப் புல வலிமை, சுமார் 2E7cm s-1 செறிவூட்டல் வேகம் மற்றும் 3000 என்ற உயர் பாலிகா தரக் காரணி ஆகியவற்றைக் கொண்ட ஒரு வளர்ந்து வரும் மீஅகன்ற பட்டை இடைவெளி குறைக்கடத்திப் பொருளாகும். இது உயர் மின்னழுத்தம் மற்றும் உயர் அதிர்வெண் ஆற்றல் மின்னணுவியல் துறையில் பரவலான கவனத்தைப் பெற்று வருகிறது.

1. காலியம் ஆக்சைடு பொருளின் பண்புகள்

Ga2O3 ஒரு பெரிய பட்டை இடைவெளியைக் (4.8 eV) கொண்டுள்ளது, அதிக தாங்கும் மின்னழுத்தம் மற்றும் அதிக ஆற்றல் திறன்கள் இரண்டையும் அடையும் என்று எதிர்பார்க்கப்படுகிறது, மேலும் ஒப்பீட்டளவில் குறைந்த மின்தடையில் உயர் மின்னழுத்த ஏற்புத்திறனுக்கான சாத்தியக்கூறுகளைக் கொண்டிருப்பதால், இது தற்போதைய ஆராய்ச்சியின் மையமாக உள்ளது. கூடுதலாக, Ga2O3 சிறந்த பொருள் பண்புகளைக் கொண்டிருப்பது மட்டுமல்லாமல், எளிதில் சரிசெய்யக்கூடிய பல்வேறு n-வகை கலப்புத் தொழில்நுட்பங்களையும், குறைந்த செலவிலான அடி மூலக்கூறு வளர்ச்சி மற்றும் எபிடாக்ஸி தொழில்நுட்பங்களையும் வழங்குகிறது. இதுவரை, Ga2O3-இல் கோரண்டம் (α), மோனோக்ளினிக் (β), குறைபாடுள்ள ஸ்பைனல் (γ), கனசதுரம் (δ) மற்றும் ஆர்த்தோரோம்பிக் (ɛ) கட்டங்கள் உட்பட ஐந்து வெவ்வேறு படிகக் கட்டங்கள் கண்டறியப்பட்டுள்ளன. வெப்ப இயக்கவியல் நிலைத்தன்மைகள், வரிசைப்படி, γ, δ, α, ɛ, மற்றும் β ஆகும். மோனோக்ளினிக் β-Ga2O3 மிகவும் நிலையானது, குறிப்பாக உயர் வெப்பநிலைகளில், மற்ற கட்டங்கள் அறை வெப்பநிலைக்கு மேல் நிலைமாறக்கூடியவை மற்றும் குறிப்பிட்ட வெப்ப நிலைகளின் கீழ் β கட்டமாக மாற முனைகின்றன என்பது குறிப்பிடத்தக்கது. எனவே, சமீபத்திய ஆண்டுகளில் ஆற்றல் மின்னணுவியல் துறையில் β-Ga2O3-அடிப்படையிலான சாதனங்களின் மேம்பாடு ஒரு முக்கியக் கவனமாக மாறியுள்ளது.

அட்டவணை 1 சில குறைக்கடத்திப் பொருள் அளவுருக்களின் ஒப்பீடு

மோனோகிளினிக் β-Ga2O3-இன் படிக அமைப்பு அட்டவணை 1-இல் காட்டப்பட்டுள்ளது. அதன் பின்னல் அளவுருக்கள் a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, மற்றும் β = 103.8° ஆகும். இதன் அலகுக்கூடு, முறுக்கப்பட்ட நான்முகி ஒருங்கிணைப்புடன் கூடிய Ga(I) அணுக்களையும், எண்முகி ஒருங்கிணைப்புடன் கூடிய Ga(II) அணுக்களையும் கொண்டுள்ளது. "முறுக்கப்பட்ட கனசதுர" வரிசையில் ஆக்சிஜன் அணுக்களின் மூன்று வெவ்வேறு அமைப்புகள் உள்ளன; அவற்றுள் இரண்டு முக்கோண ஒருங்கிணைப்புடன் கூடிய O(I) மற்றும் O(II) அணுக்களும், ஒரு நான்முகி ஒருங்கிணைப்புடன் கூடிய O(III) அணுவும் அடங்கும். இந்த இரண்டு வகையான அணு ஒருங்கிணைப்புகளின் சேர்க்கையானது, இயற்பியல், வேதியியல் அரிமானம், ஒளியியல் மற்றும் மின்னணுவியல் ஆகியவற்றில் சிறப்புப் பண்புகளைக் கொண்ட β-Ga2O3-இன் திசைமாறாத் தன்மைக்கு வழிவகுக்கிறது.

படம் 1 மோனோகிளினிக் β-Ga2O3 படிகத்தின் திட்டவட்டமான கட்டமைப்பு வரைபடம்

ஆற்றல் பட்டை கோட்பாட்டின் கண்ணோட்டத்தில், β-Ga2O3-இன் கடத்து பட்டையின் குறைந்தபட்ச மதிப்பானது, Ga அணுவின் 4s0 கலப்பின சுற்றுப்பாதைக்குரிய ஆற்றல் நிலையிலிருந்து பெறப்படுகிறது. கடத்து பட்டையின் குறைந்தபட்ச மதிப்பிற்கும் வெற்றிட ஆற்றல் நிலைக்கும் (எலக்ட்ரான் ஈர்ப்பு ஆற்றல்) இடையேயான ஆற்றல் வேறுபாடு 4 eV என அளவிடப்படுகிறது. β-Ga2O3-இன் பயனுள்ள எலக்ட்ரான் நிறை 0.28–0.33 me என அளவிடப்பட்டுள்ளது மற்றும் அதன் மின்னணு கடத்துத்திறன் சாதகமாக உள்ளது. இருப்பினும், இணைதிறன் பட்டையின் உச்சமானது, மிகக் குறைந்த வளைவு மற்றும் வலுவாக உள்ளூர்மயமாக்கப்பட்ட O2p சுற்றுப்பாதைகளுடன் ஒரு ஆழமற்ற Ek வளைவைக் காட்டுகிறது, இது துளைகள் ஆழமாக உள்ளூர்மயமாக்கப்பட்டுள்ளன என்பதைக் குறிக்கிறது. இந்த பண்புகள் β-Ga2O3-இல் p-வகை கலப்படம் அடைவதற்கு ஒரு பெரும் சவாலை ஏற்படுத்துகின்றன. p-வகை கலப்படம் அடைய முடிந்தாலும் கூட, துளை μ மிகக் குறைந்த மட்டத்திலேயே இருக்கும். 2. மொத்த காலியம் ஆக்சைடு ஒற்றைப் படிகத்தின் வளர்ச்சி. இதுவரை, β-Ga2O3 மொத்த ஒற்றைப் படிக அடி மூலக்கூறின் வளர்ச்சி முறையானது, முக்கியமாக படிக இழுத்தல் முறையாகும். அவை சோக்ரால்ஸ்கி (CZ), விளிம்பு-வரையறுக்கப்பட்ட மென்படல ஊட்ட முறை (Edge-Defined film-fed, EFG), பிரிட்ஜ்மேன் (செங்குத்து அல்லது கிடைமட்ட பிரிட்ஜ்மேன், HB அல்லது VB) மற்றும் மிதக்கும் மண்டல (floating zone, FZ) தொழில்நுட்பம் போன்றவையாகும். அனைத்து முறைகளிலும், சோக்ரால்ஸ்கி மற்றும் விளிம்பு-வரையறுக்கப்பட்ட மென்படல ஊட்ட முறைகள் எதிர்காலத்தில் β-Ga2O3 தகடுகளின் பெருமளவு உற்பத்திக்கு மிகவும் நம்பிக்கைக்குரிய வழிகளாக இருக்கும் என்று எதிர்பார்க்கப்படுகிறது, ஏனெனில் அவை ஒரே நேரத்தில் பெரிய அளவுகளையும் குறைந்த குறைபாடு அடர்த்தியையும் அடைய முடியும். இதுவரை, ஜப்பானின் நாவல் கிரிஸ்டல் டெக்னாலஜி, உருகி வளரும் β-Ga2O3-க்கான ஒரு வணிகரீதியான மேட்ரிக்ஸை உருவாக்கியுள்ளது.

1.1 சோல்க்ராஸ்கி முறை

சோக்ரால்ஸ்கி முறையின் கொள்கை என்னவென்றால், முதலில் விதை அடுக்கு மூடப்பட்டு, பின்னர் ஒற்றைப் படிகம் உருகிய நிலையிலிருந்து மெதுவாக வெளியே இழுக்கப்படுகிறது. சோக்ரால்ஸ்கி முறையானது அதன் செலவுத் திறன், பெரிய அளவுத் திறன்கள் மற்றும் உயர் படிகத் தரம் கொண்ட அடி மூலக்கூறு வளர்ச்சி ஆகியவற்றின் காரணமாக β-Ga2O3-க்கு பெருகிய முறையில் முக்கியத்துவம் பெறுகிறது. இருப்பினும், Ga2O3-ஐ உயர் வெப்பநிலையில் வளர்க்கும்போது ஏற்படும் வெப்ப அழுத்தத்தின் காரணமாக, ஒற்றைப் படிகங்கள், உருகிய பொருட்கள் ஆவியாதல் மற்றும் இரிடியம் (Ir) உருகும் பாத்திரத்திற்கு சேதம் ஏற்படுதல் போன்றவை நிகழும். இது Ga2O3-இல் குறைந்த n-வகை கலப்படம் செய்வதில் உள்ள சிரமத்தின் விளைவாகும். வளர்ச்சிச் சூழலில் பொருத்தமான அளவு ஆக்ஸிஜனை அறிமுகப்படுத்துவது இந்தப் பிரச்சனையைத் தீர்ப்பதற்கான ஒரு வழியாகும். உகந்ததாக்குதல் மூலம், 10^16~10^19 cm-3 என்ற கட்டற்ற எலக்ட்ரான் செறிவு வரம்பு மற்றும் 160 cm2/Vs என்ற அதிகபட்ச எலக்ட்ரான் அடர்த்தி கொண்ட உயர்தர 2-அங்குல β-Ga2O3, சோக்ரால்ஸ்கி முறையால் வெற்றிகரமாக வளர்க்கப்பட்டுள்ளது.

படம் 2 சோல்க்ராஸ்கி முறையில் வளர்க்கப்பட்ட β-Ga2O3-இன் ஒற்றைப் படிகம்

1.2 விளிம்பு வரையறுக்கப்பட்ட படல ஊட்டல் முறை

பெரிய பரப்பளவு கொண்ட Ga2O3 ஒற்றைப் படிகப் பொருட்களின் வணிக உற்பத்திக்கு, விளிம்பு வரையறுக்கப்பட்ட மென்படல ஊட்ட முறை ஒரு முன்னணி போட்டியாளராகக் கருதப்படுகிறது. இந்த முறையின் கொள்கை என்னவென்றால், உருகிய பொருளை நுண்குழாய்ப் பிளவு கொண்ட ஒரு அச்சில் வைப்பது, மற்றும் அந்த உருகிய பொருள் நுண்குழாய் ஈர்ப்பு விசை மூலம் அச்சை நோக்கி உயர்கிறது. மேலே, ஒரு மென்படலம் உருவாகி, விதைப் படிகத்தால் படிகமாக்கப்படுவதற்குத் தூண்டப்பட்டு, எல்லா திசைகளிலும் பரவுகிறது. மேலும், செதில்கள், குழாய்கள் அல்லது விரும்பிய எந்த வடிவத்திலும் படிகங்களை உருவாக்க, அச்சின் மேற்புறத்தின் விளிம்புகளைக் கட்டுப்படுத்த முடியும். Ga2O3-இன் விளிம்பு வரையறுக்கப்பட்ட மென்படல ஊட்ட முறை, வேகமான வளர்ச்சி விகிதங்களையும் பெரிய விட்டங்களையும் வழங்குகிறது. படம் 3 ஒரு β-Ga2O3 ஒற்றைப் படிகத்தின் வரைபடத்தைக் காட்டுகிறது. கூடுதலாக, அளவு அளவுகோலைப் பொறுத்தவரை, சிறந்த ஒளிபுகும் தன்மை மற்றும் சீரான தன்மையுடன் கூடிய 2-அங்குல மற்றும் 4-அங்குல β-Ga2O3 அடிமூலங்கள் வணிகமயமாக்கப்பட்டுள்ளன, அதே நேரத்தில் 6-அங்குல அடிமூலம் எதிர்கால வணிகமயமாக்கலுக்காக ஆராய்ச்சியில் செய்து காட்டப்படுகிறது. சமீபத்தில், (−201) திசையமைப்புடன் கூடிய பெரிய வட்ட ஒற்றைப் படிக மொத்தப் பொருட்களும் கிடைக்கப்பெற்றுள்ளன. மேலும், β-Ga2O3 விளிம்பு வரையறுக்கப்பட்ட படல ஊட்டல் முறையானது, இடைநிலை உலோகத் தனிமங்களின் கலப்பையும் ஊக்குவித்து, Ga2O3-இன் ஆராய்ச்சி மற்றும் தயாரிப்பைச் சாத்தியமாக்குகிறது.

படம் 3 விளிம்பு வரையறுக்கப்பட்ட படல ஊட்டல் முறையில் வளர்க்கப்பட்ட β-Ga2O3 ஒற்றைப் படிகம்

1.3 பிரிட்ஜ்மேன் முறை

பிரிட்ஜ்மேன் முறையில், வெப்பநிலைச் சரிவின் வழியே படிப்படியாக நகர்த்தப்படும் ஒரு மூசையில் படிகங்கள் உருவாக்கப்படுகின்றன. இந்தச் செயல்முறையை, பொதுவாகச் சுழலும் மூசையைப் பயன்படுத்தி, கிடைமட்டமாகவோ அல்லது செங்குத்தாகவோ செய்ய முடியும். இந்த முறையில் படிக விதைகள் பயன்படுத்தப்படலாம் அல்லது பயன்படுத்தப்படாமலும் இருக்கலாம் என்பது குறிப்பிடத்தக்கது. பாரம்பரிய பிரிட்ஜ்மேன் இயக்குபவர்களுக்கு உருகுதல் மற்றும் படிக வளர்ச்சி செயல்முறைகளை நேரடியாகக் காணும் வசதி இல்லை, மேலும் அவர்கள் வெப்பநிலைகளை மிகத் துல்லியமாகக் கட்டுப்படுத்த வேண்டும். செங்குத்து பிரிட்ஜ்மேன் முறையானது முக்கியமாக β-Ga2O3-ஐ வளர்ப்பதற்குப் பயன்படுத்தப்படுகிறது, மேலும் இது காற்றுச் சூழலில் வளரும் திறனுக்காக அறியப்படுகிறது. செங்குத்து பிரிட்ஜ்மேன் முறை வளர்ச்சிச் செயல்முறையின் போது, உருகிய பொருள் மற்றும் மூசையின் மொத்த நிறை இழப்பு 1%-க்கும் குறைவாக வைக்கப்படுகிறது, இது குறைந்தபட்ச இழப்புடன் பெரிய β-Ga2O3 ஒற்றைப் படிகங்களை வளர்க்க உதவுகிறது.

படம் 4 பிரிட்ஜ்மேன் முறையில் வளர்க்கப்பட்ட β-Ga2O3-இன் ஒற்றைப் படிகம்

1.4 மிதக்கும் மண்டல முறை

மிதக்கும் மண்டல முறையானது, மூசைப் பொருட்களால் ஏற்படும் படிக மாசுபடுதல் சிக்கலைத் தீர்ப்பதோடு, உயர் வெப்பநிலை தாங்கும் அகச்சிவப்பு மூசைகளுடன் தொடர்புடைய அதிக செலவுகளையும் குறைக்கிறது. இந்த வளர்ச்சிச் செயல்பாட்டின் போது, உருகிய கலவையை RF மூலத்திற்குப் பதிலாக ஒரு விளக்கு மூலம் சூடாக்க முடியும், இதனால் வளர்ச்சி உபகரணங்களுக்கான தேவைகள் எளிதாக்கப்படுகின்றன. மிதக்கும் மண்டல முறையில் வளர்க்கப்பட்ட β-Ga2O3-இன் வடிவமும் படிகத் தரமும் இன்னும் உகந்ததாக இல்லை என்றாலும், இந்த முறையானது உயர் தூய்மையான β-Ga2O3-ஐ குறைந்த செலவிலான ஒற்றைப் படிகங்களாக வளர்ப்பதற்கு ஒரு நம்பிக்கைக்குரிய வழியைத் திறக்கிறது.