காலியம் ஆக்சைடு ஒற்றை படிக மற்றும் எபிடாக்சியல் வளர்ச்சி தொழில்நுட்பம்

சிலிக்கான் கார்பைடு (SiC) மற்றும் காலியம் நைட்ரைடு (GaN) ஆகியவற்றால் பிரதிநிதித்துவப்படுத்தப்படும் வைட் பேண்ட்கேப் (WBG) குறைக்கடத்திகள் பரவலான கவனத்தைப் பெற்றுள்ளன. மின்சார வாகனங்கள் மற்றும் மின் கட்டங்களில் சிலிக்கான் கார்பைடைப் பயன்படுத்துவதற்கான வாய்ப்புகள் மற்றும் வேகமான சார்ஜிங்கில் காலியம் நைட்ரைடைப் பயன்படுத்துவதற்கான வாய்ப்புகள் குறித்து மக்கள் அதிக எதிர்பார்ப்புகளைக் கொண்டுள்ளனர். சமீபத்திய ஆண்டுகளில், Ga2O3, AlN மற்றும் வைரப் பொருட்கள் குறித்த ஆராய்ச்சி குறிப்பிடத்தக்க முன்னேற்றத்தை அடைந்துள்ளது, இது அல்ட்ரா-வைட் பேண்ட்கேப் குறைக்கடத்தி பொருட்களை கவனத்தின் மையமாகக் கொண்டுள்ளது. அவற்றில், காலியம் ஆக்சைடு (Ga2O3) என்பது 4.8 eV பேண்ட் இடைவெளி, சுமார் 8 MV செ.மீ-1 என்ற கோட்பாட்டு முக்கியமான முறிவு புல வலிமை, சுமார் 2E7cm s-1 என்ற செறிவு வேகம் மற்றும் 3000 என்ற உயர் பாலிகா தர காரணி ஆகியவற்றைக் கொண்ட ஒரு வளர்ந்து வரும் அல்ட்ரா-வைட்-பேண்ட்கேப் குறைக்கடத்தி பொருளாகும், இது உயர் மின்னழுத்தம் மற்றும் உயர் அதிர்வெண் மின் மின்னணுவியல் துறையில் பரவலான கவனத்தைப் பெறுகிறது.

1. காலியம் ஆக்சைடு பொருள் பண்புகள்

Ga2O3 ஒரு பெரிய பட்டை இடைவெளியைக் (4.8 eV) கொண்டுள்ளது, அதிக தாங்கும் மின்னழுத்தம் மற்றும் அதிக சக்தி திறன்களை அடையும் என்று எதிர்பார்க்கப்படுகிறது, மேலும் ஒப்பீட்டளவில் குறைந்த எதிர்ப்பில் உயர் மின்னழுத்த தகவமைப்புத் திறனைக் கொண்டிருக்கலாம், இது தற்போதைய ஆராய்ச்சியின் மையமாக அமைகிறது. கூடுதலாக, Ga2O3 சிறந்த பொருள் பண்புகளைக் கொண்டிருப்பது மட்டுமல்லாமல், எளிதில் சரிசெய்யக்கூடிய பல்வேறு n-வகை ஊக்கமருந்து தொழில்நுட்பங்களையும், குறைந்த விலை அடி மூலக்கூறு வளர்ச்சி மற்றும் எபிடாக்ஸி தொழில்நுட்பங்களையும் வழங்குகிறது. இதுவரை, Ga2O3 இல் ஐந்து வெவ்வேறு படிக கட்டங்கள் கண்டுபிடிக்கப்பட்டுள்ளன, அவற்றில் கொருண்டம் (α), மோனோக்ளினிக் (β), குறைபாடுள்ள ஸ்பைனல் (γ), கனசதுர (δ) மற்றும் ஆர்த்தோஹோம்பிக் (ɛ) கட்டங்கள் அடங்கும். வெப்ப இயக்கவியல் நிலைத்தன்மைகள், வரிசையில், γ, δ, α, ɛ, மற்றும் β ஆகும். மோனோக்ளினிக் β-Ga2O3 மிகவும் நிலையானது, குறிப்பாக அதிக வெப்பநிலையில், மற்ற கட்டங்கள் அறை வெப்பநிலையை விட மெட்டாஸ்டேபிள் மற்றும் குறிப்பிட்ட வெப்ப நிலைமைகளின் கீழ் β கட்டமாக உருமாறும் என்பது குறிப்பிடத்தக்கது. எனவே, சமீபத்திய ஆண்டுகளில் மின் மின்னணுவியல் துறையில் β-Ga2O3-அடிப்படையிலான சாதனங்களின் மேம்பாடு ஒரு முக்கிய கவனமாக மாறியுள்ளது.

அட்டவணை 1 சில குறைக்கடத்தி பொருள் அளவுருக்களின் ஒப்பீடு

மோனோக்ளினிக்β-Ga2O3 இன் படிக அமைப்பு அட்டவணை 1 இல் காட்டப்பட்டுள்ளது. அதன் லேட்டிஸ் அளவுருக்களில் a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, மற்றும் β = 103.8° ஆகியவை அடங்கும். அலகு செல் முறுக்கப்பட்ட நான்முகி ஒருங்கிணைப்புடன் கூடிய Ga(I) அணுக்களையும், எண்முகி ஒருங்கிணைப்புடன் கூடிய Ga(II) அணுக்களையும் கொண்டுள்ளது. "முறுக்கப்பட்ட கனசதுர" வரிசையில் ஆக்ஸிஜன் அணுக்களின் மூன்று வெவ்வேறு ஏற்பாடுகள் உள்ளன, இதில் இரண்டு முக்கோண ரீதியாக ஒருங்கிணைக்கப்பட்ட O(I) மற்றும் O(II) அணுக்கள் மற்றும் ஒரு நான்முகி ஒருங்கிணைக்கப்பட்ட O(III) அணு ஆகியவை அடங்கும். இந்த இரண்டு வகையான அணு ஒருங்கிணைப்பின் கலவையானது இயற்பியல், வேதியியல் அரிப்பு, ஒளியியல் மற்றும் மின்னணுவியல் ஆகியவற்றில் சிறப்பு பண்புகளைக் கொண்ட β-Ga2O3 இன் அனிசோட்ரோபிக்கு வழிவகுக்கிறது.

படம் 1 மோனோக்ளினிக் β-Ga2O3 படிகத்தின் திட்ட கட்டமைப்பு வரைபடம்

ஆற்றல் பட்டை கோட்பாட்டின் கண்ணோட்டத்தில், β-Ga2O3 இன் கடத்தல் பட்டையின் குறைந்தபட்ச மதிப்பு, Ga அணுவின் 4s0 கலப்பின சுற்றுப்பாதையுடன் தொடர்புடைய ஆற்றல் நிலையிலிருந்து பெறப்படுகிறது. கடத்தல் பட்டையின் குறைந்தபட்ச மதிப்புக்கும் வெற்றிட ஆற்றல் நிலைக்கும் (எலக்ட்ரான் தொடர்பு ஆற்றல்) இடையேயான ஆற்றல் வேறுபாடு 4 eV ஆகும். β-Ga2O3 இன் பயனுள்ள எலக்ட்ரான் நிறை 0.28–0.33 me மற்றும் அதன் சாதகமான மின்னணு கடத்துத்திறன் என அளவிடப்படுகிறது. இருப்பினும், வேலன்ஸ் பேண்டின் அதிகபட்சம் மிகக் குறைந்த வளைவு மற்றும் வலுவாக உள்ளூர்மயமாக்கப்பட்ட O2p ஆர்பிட்டால்கள் கொண்ட ஆழமற்ற Ek வளைவை வெளிப்படுத்துகிறது, இது துளைகள் ஆழமாக உள்ளூர்மயமாக்கப்பட்டுள்ளன என்பதைக் குறிக்கிறது. β-Ga2O3 இல் p-வகை டோப்பிங்கை அடைவதற்கு இந்த பண்புகள் ஒரு பெரிய சவாலை முன்வைக்கின்றன. P-வகை டோப்பிங்கை அடைய முடிந்தாலும், துளை μ மிகக் குறைந்த மட்டத்தில் உள்ளது. 2. மொத்த காலியம் ஆக்சைடு ஒற்றை படிகத்தின் வளர்ச்சி இதுவரை, β-Ga2O3 மொத்த ஒற்றை படிக அடி மூலக்கூறின் வளர்ச்சி முறை முக்கியமாக படிக இழுக்கும் முறையாகும், அதாவது Czochralski (CZ), விளிம்பு-வரையறுக்கப்பட்ட மெல்லிய படல உணவு முறை (Edge -வரையறுக்கப்பட்ட படல-ஊட்டம், EFG), பிரிட்ஜ்மேன் (rtical அல்லது கிடைமட்ட பிரிட்ஜ்மேன், HB அல்லது VB) மற்றும் மிதக்கும் மண்டலம் (மிதக்கும் மண்டலம், FZ) தொழில்நுட்பம். அனைத்து முறைகளிலும், Czochralski மற்றும் விளிம்பு-வரையறுக்கப்பட்ட மெல்லிய-படல உணவு முறைகள் எதிர்காலத்தில் β-Ga 2O3 செதில்களின் பெருமளவிலான உற்பத்திக்கு மிகவும் நம்பிக்கைக்குரிய வழிகளாக இருக்கும் என்று எதிர்பார்க்கப்படுகிறது, ஏனெனில் அவை ஒரே நேரத்தில் பெரிய அளவுகளையும் குறைந்த குறைபாடு அடர்த்தியையும் அடைய முடியும். இதுவரை, ஜப்பானின் நாவல் படிக தொழில்நுட்பம் உருகும் வளர்ச்சி β-Ga2O3 க்கான வணிக அணியை உணர்ந்துள்ளது.

1.1 சோக்ரால்ஸ்கி முறை

சோக்ரால்ஸ்கி முறையின் கொள்கை என்னவென்றால், விதை அடுக்கு முதலில் மூடப்பட்டு, பின்னர் ஒற்றை படிகம் மெதுவாக உருகலில் இருந்து வெளியே இழுக்கப்படுகிறது. அதன் செலவு-செயல்திறன், பெரிய அளவிலான திறன்கள் மற்றும் உயர் படிக தரமான அடி மூலக்கூறு வளர்ச்சி காரணமாக சோக்ரால்ஸ்கி முறை β-Ga2O3 க்கு அதிக முக்கியத்துவம் பெறுகிறது. இருப்பினும், Ga2O3 இன் உயர் வெப்பநிலை வளர்ச்சியின் போது வெப்ப அழுத்தம் காரணமாக, ஒற்றை படிகங்களின் ஆவியாதல், உருகும் பொருட்கள் மற்றும் Ir சிலுவைக்கு சேதம் ஏற்படும். Ga2O3 இல் குறைந்த n-வகை டோப்பிங்கை அடைவதில் உள்ள சிரமத்தின் விளைவாக இது ஏற்படுகிறது. வளர்ச்சி வளிமண்டலத்தில் பொருத்தமான அளவு ஆக்ஸிஜனை அறிமுகப்படுத்துவது இந்த சிக்கலை தீர்க்க ஒரு வழியாகும். உகப்பாக்கம் மூலம், 10^16~10^19 செ.மீ-3 இலவச எலக்ட்ரான் செறிவு வரம்பு மற்றும் 160 செ.மீ2/Vs அதிகபட்ச எலக்ட்ரான் அடர்த்தி கொண்ட உயர்தர 2-இன்ச் β-Ga2O3, சோக்ரால்ஸ்கி முறையால் வெற்றிகரமாக வளர்க்கப்பட்டுள்ளது.

படம் 2 சோக்ரால்ஸ்கி முறையால் வளர்க்கப்பட்ட β-Ga2O3 இன் ஒற்றைப் படிகம்.

1.2 விளிம்பு-வரையறுக்கப்பட்ட பட ஊட்ட முறை

விளிம்பு-வரையறுக்கப்பட்ட மெல்லிய படல உணவளிக்கும் முறை, பெரிய பரப்பளவு கொண்ட Ga2O3 ஒற்றை படிகப் பொருட்களின் வணிக உற்பத்திக்கு முன்னணி போட்டியாளராகக் கருதப்படுகிறது. இந்த முறையின் கொள்கை, உருகலை ஒரு தந்துகி பிளவு கொண்ட ஒரு அச்சில் வைப்பதும், உருகலை தந்துகி நடவடிக்கை மூலம் அச்சுக்கு உயர்வதும் ஆகும். மேலே, ஒரு மெல்லிய படலம் உருவாகி அனைத்து திசைகளிலும் பரவுகிறது, அதே நேரத்தில் விதை படிகத்தால் படிகமாக்க தூண்டப்படுகிறது. கூடுதலாக, அச்சு மேற்புறத்தின் விளிம்புகளை செதில்களாக, குழாய்களாக அல்லது விரும்பிய எந்த வடிவவியலிலும் படிகங்களை உருவாக்க கட்டுப்படுத்தலாம். Ga2O3 இன் விளிம்பு-வரையறுக்கப்பட்ட மெல்லிய படல உணவளிக்கும் முறை வேகமான வளர்ச்சி விகிதங்களையும் பெரிய விட்டத்தையும் வழங்குகிறது. படம் 3 β-Ga2O3 ஒற்றை படிகத்தின் வரைபடத்தைக் காட்டுகிறது. கூடுதலாக, அளவு அளவின் அடிப்படையில், சிறந்த வெளிப்படைத்தன்மை மற்றும் சீரான தன்மை கொண்ட 2-அங்குல மற்றும் 4-அங்குல β-Ga2O3 அடி மூலக்கூறுகள் வணிகமயமாக்கப்பட்டுள்ளன, அதே நேரத்தில் 6-அங்குல அடி மூலக்கூறு எதிர்கால வணிகமயமாக்கலுக்கான ஆராய்ச்சியில் நிரூபிக்கப்பட்டுள்ளது. சமீபத்தில், பெரிய வட்ட ஒற்றை-படிக மொத்தப் பொருட்களும் (−201) நோக்குநிலையுடன் கிடைக்கின்றன. கூடுதலாக, β-Ga2O3 விளிம்பு-வரையறுக்கப்பட்ட பட ஊட்ட முறை, மாற்ற உலோக கூறுகளின் ஊக்கமருந்தை ஊக்குவிக்கிறது, இதனால் Ga2O3 இன் ஆராய்ச்சி மற்றும் தயாரிப்பை சாத்தியமாக்குகிறது.

படம் 3 விளிம்பு-வரையறுக்கப்பட்ட பட ஊட்ட முறையால் வளர்க்கப்பட்ட β-Ga2O3 ஒற்றை படிகம்

1.3 பிரிட்ஜ்மேன் முறை

பிரிட்ஜ்மேன் முறையில், படிகங்கள் வெப்பநிலை சாய்வு வழியாக படிப்படியாக நகர்த்தப்படும் ஒரு சிலுவைக்குள் உருவாகின்றன. இந்த செயல்முறையை கிடைமட்ட அல்லது செங்குத்து நோக்குநிலையில் செய்ய முடியும், பொதுவாக சுழலும் சிலுவையைப் பயன்படுத்தி. இந்த முறை படிக விதைகளைப் பயன்படுத்தலாம் அல்லது பயன்படுத்தக்கூடாது என்பது குறிப்பிடத்தக்கது. பாரம்பரிய பிரிட்ஜ்மேன் ஆபரேட்டர்கள் உருகுதல் மற்றும் படிக வளர்ச்சி செயல்முறைகளின் நேரடி காட்சிப்படுத்தலைக் கொண்டிருக்கவில்லை மற்றும் அதிக துல்லியத்துடன் வெப்பநிலையைக் கட்டுப்படுத்த வேண்டும். செங்குத்து பிரிட்ஜ்மேன் முறை முக்கியமாக β-Ga2O3 இன் வளர்ச்சிக்குப் பயன்படுத்தப்படுகிறது மற்றும் காற்று சூழலில் வளரும் திறனுக்காக அறியப்படுகிறது. செங்குத்து பிரிட்ஜ்மேன் முறை வளர்ச்சி செயல்முறையின் போது, உருகுதல் மற்றும் சிலுவையின் மொத்த நிறை இழப்பு 1% க்கும் குறைவாகவே வைக்கப்படுகிறது, இது குறைந்தபட்ச இழப்புடன் பெரிய β-Ga2O3 ஒற்றை படிகங்களின் வளர்ச்சியை செயல்படுத்துகிறது.

படம் 4 பிரிட்ஜ்மேன் முறையால் வளர்க்கப்பட்ட β-Ga2O3 இன் ஒற்றைப் படிகம்.

1.4 மிதக்கும் மண்டல முறை

மிதக்கும் மண்டல முறை, உருகுநிலைப் பொருட்களால் படிக மாசுபாட்டின் சிக்கலைத் தீர்க்கிறது மற்றும் அதிக வெப்பநிலை எதிர்ப்பு அகச்சிவப்பு உருகுநிலைப் பொருட்களுடன் தொடர்புடைய அதிக செலவுகளைக் குறைக்கிறது. இந்த வளர்ச்சிச் செயல்பாட்டின் போது, உருகலை RF மூலத்திற்குப் பதிலாக ஒரு விளக்கு மூலம் சூடாக்கலாம், இதனால் வளர்ச்சி உபகரணங்களுக்கான தேவைகள் எளிமைப்படுத்தப்படுகின்றன. மிதக்கும் மண்டல முறையால் வளர்க்கப்படும் β-Ga2O3 இன் வடிவம் மற்றும் படிகத் தரம் இன்னும் உகந்ததாக இல்லாவிட்டாலும், இந்த முறை உயர்-தூய்மை β-Ga2O3 ஐ பட்ஜெட்டுக்கு ஏற்ற ஒற்றை படிகங்களாக வளர்ப்பதற்கான ஒரு நம்பிக்கைக்குரிய முறையைத் திறக்கிறது.