గాలియం ఆక్సైడ్ సింగిల్ క్రిస్టల్ మరియు ఎపిటాక్సియల్ గ్రోత్ టెక్నాలజీ

సిలికాన్ కార్బైడ్ (SiC) మరియు గాలియం నైట్రైడ్ (GaN) ద్వారా ప్రాతినిధ్యం వహించే వైడ్ బ్యాండ్‌గ్యాప్ (WBG) సెమీకండక్టర్‌లు విస్తృత దృష్టిని ఆకర్షించాయి. ఎలక్ట్రిక్ వాహనాలు మరియు పవర్ గ్రిడ్‌లలో సిలికాన్ కార్బైడ్ యొక్క అప్లికేషన్ అవకాశాలపై, అలాగే ఫాస్ట్ ఛార్జింగ్‌లో గాలియం నైట్రైడ్ యొక్క అప్లికేషన్ అవకాశాలపై ప్రజలు అధిక అంచనాలను కలిగి ఉన్నారు. ఇటీవలి సంవత్సరాలలో, Ga2O3, AlN మరియు డైమండ్ పదార్థాలపై పరిశోధన గణనీయమైన పురోగతిని సాధించింది, అల్ట్రా-వైడ్ బ్యాండ్‌గ్యాప్ సెమీకండక్టర్ పదార్థాలను దృష్టి కేంద్రీకరించింది. వాటిలో, గాలియం ఆక్సైడ్ (Ga2O3) అనేది 4.8 eV బ్యాండ్ గ్యాప్, దాదాపు 8 MV cm-1 యొక్క సైద్ధాంతిక క్లిష్టమైన బ్రేక్‌డౌన్ ఫీల్డ్ బలం, దాదాపు 2E7cm s-1 యొక్క సంతృప్త వేగం మరియు 3000 యొక్క అధిక బలిగా నాణ్యత కారకంతో అభివృద్ధి చెందుతున్న అల్ట్రా-వైడ్-బ్యాండ్‌గ్యాప్ సెమీకండక్టర్ పదార్థం, ఇది అధిక వోల్టేజ్ మరియు అధిక ఫ్రీక్వెన్సీ పవర్ ఎలక్ట్రానిక్స్ రంగంలో విస్తృత దృష్టిని పొందుతోంది.

1. గాలియం ఆక్సైడ్ పదార్థ లక్షణాలు

Ga2O3 పెద్ద బ్యాండ్ గ్యాప్ (4.8 eV) కలిగి ఉంది, అధిక తట్టుకునే వోల్టేజ్ మరియు అధిక శక్తి సామర్థ్యాలను సాధించగలదని భావిస్తున్నారు మరియు సాపేక్షంగా తక్కువ నిరోధకత వద్ద అధిక వోల్టేజ్ అనుకూలతకు సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉంటుంది, ఇది ప్రస్తుత పరిశోధన యొక్క కేంద్రంగా మారింది. అదనంగా, Ga2O3 అద్భుతమైన పదార్థ లక్షణాలను కలిగి ఉండటమే కాకుండా, సులభంగా సర్దుబాటు చేయగల n-రకం డోపింగ్ సాంకేతికతలను, అలాగే తక్కువ-ధర ఉపరితల పెరుగుదల మరియు ఎపిటాక్సీ సాంకేతికతలను కూడా అందిస్తుంది. ఇప్పటివరకు, Ga2O3లో ఐదు వేర్వేరు క్రిస్టల్ దశలు కనుగొనబడ్డాయి, వీటిలో కొరండం (α), మోనోక్లినిక్ (β), లోపభూయిష్ట స్పినెల్ (γ), క్యూబిక్ (δ) మరియు ఆర్థోహోంబిక్ (ɛ) దశలు ఉన్నాయి. థర్మోడైనమిక్ స్థిరత్వాలు, క్రమంలో, γ, δ, α, ɛ, మరియు β. మోనోక్లినిక్ β-Ga2O3 అత్యంత స్థిరంగా ఉంటుందని గమనించాలి, ముఖ్యంగా అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద, ఇతర దశలు గది ఉష్ణోగ్రత కంటే మెటాస్టేబుల్‌గా ఉంటాయి మరియు నిర్దిష్ట ఉష్ణ పరిస్థితులలో β దశగా రూపాంతరం చెందుతాయి. అందువల్ల, ఇటీవలి సంవత్సరాలలో పవర్ ఎలక్ట్రానిక్స్ రంగంలో β-Ga2O3-ఆధారిత పరికరాల అభివృద్ధి ప్రధాన దృష్టిగా మారింది.

కొన్ని సెమీకండక్టర్ పదార్థ పారామితుల పట్టిక 1 పోలిక

మోనోక్లినిక్β-Ga2O3 యొక్క క్రిస్టల్ నిర్మాణం పట్టిక 1లో చూపబడింది. దీని జాలక పారామితులలో a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, మరియు β = 103.8° ఉన్నాయి. యూనిట్ సెల్ వక్రీకృత టెట్రాహెడ్రల్ కోఆర్డినేషన్ కలిగిన Ga(I) అణువులను మరియు అష్టాహెడ్రల్ కోఆర్డినేషన్ కలిగిన Ga(II) అణువులను కలిగి ఉంటుంది. "వక్రీకృత క్యూబిక్" శ్రేణిలో ఆక్సిజన్ అణువుల యొక్క మూడు వేర్వేరు అమరికలు ఉన్నాయి, వీటిలో రెండు త్రిభుజాకార సమన్వయం కలిగిన O(I) మరియు O(II) అణువులు మరియు ఒక టెట్రాహెడ్రల్ కోఆర్డినేషన్ కలిగిన O(III) అణువు ఉన్నాయి. ఈ రెండు రకాల పరమాణు సమన్వయాల కలయిక భౌతిక శాస్త్రం, రసాయన తుప్పు, ఆప్టిక్స్ మరియు ఎలక్ట్రానిక్స్‌లో ప్రత్యేక లక్షణాలతో β-Ga2O3 యొక్క అనిసోట్రోపికి దారితీస్తుంది.

చిత్రం 1 మోనోక్లినిక్ β-Ga2O3 క్రిస్టల్ యొక్క స్కీమాటిక్ స్ట్రక్చరల్ రేఖాచిత్రం

శక్తి బ్యాండ్ సిద్ధాంతం దృక్కోణం నుండి, β-Ga2O3 యొక్క ప్రసరణ బ్యాండ్ యొక్క కనిష్ట విలువ Ga అణువు యొక్క 4s0 హైబ్రిడ్ కక్ష్యకు అనుగుణంగా ఉండే శక్తి స్థితి నుండి తీసుకోబడింది. ప్రసరణ బ్యాండ్ యొక్క కనిష్ట విలువ మరియు వాక్యూమ్ శక్తి స్థాయి (ఎలక్ట్రాన్ అనుబంధ శక్తి) మధ్య శక్తి వ్యత్యాసం 4 eV. β-Ga2O3 యొక్క ప్రభావవంతమైన ఎలక్ట్రాన్ ద్రవ్యరాశి 0.28–0.33 me మరియు దాని అనుకూలమైన ఎలక్ట్రానిక్ వాహకతగా కొలుస్తారు. అయితే, వాలెన్స్ బ్యాండ్ గరిష్టంగా చాలా తక్కువ వక్రత మరియు బలంగా స్థానికీకరించబడిన O2p ఆర్బిటాల్‌లతో నిస్సార Ek వక్రతను ప్రదర్శిస్తుంది, ఇది రంధ్రాలు లోతుగా స్థానికీకరించబడిందని సూచిస్తుంది. β-Ga2O3లో p-రకం డోపింగ్ సాధించడానికి ఈ లక్షణాలు భారీ సవాలును కలిగిస్తాయి. P-రకం డోపింగ్ సాధించగలిగినప్పటికీ, రంధ్రం μ చాలా తక్కువ స్థాయిలో ఉంటుంది. 2. బల్క్ గాలియం ఆక్సైడ్ సింగిల్ క్రిస్టల్ పెరుగుదల ఇప్పటివరకు, β-Ga2O3 బల్క్ సింగిల్ క్రిస్టల్ సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క పెరుగుదల పద్ధతి ప్రధానంగా క్రిస్టల్ పుల్లింగ్ పద్ధతి, ఉదాహరణకు క్జోక్రాల్స్కీ (CZ), ఎడ్జ్-డిఫైన్డ్ థిన్ ఫిల్మ్ ఫీడింగ్ పద్ధతి (ఎడ్జ్ -డిఫైన్డ్ ఫిల్మ్-ఫెడ్, EFG), బ్రిడ్జ్‌మాన్ (rtical లేదా క్షితిజ సమాంతర బ్రిడ్జ్‌మాన్, HB లేదా VB) మరియు ఫ్లోటింగ్ జోన్ (ఫ్లోటింగ్ జోన్, FZ) టెక్నాలజీ. అన్ని పద్ధతులలో, క్జోక్రాల్స్కీ మరియు ఎడ్జ్-డిఫైన్డ్ థిన్-ఫిల్మ్ ఫీడింగ్ పద్ధతులు భవిష్యత్తులో β-Ga 2O3 వేఫర్‌ల భారీ ఉత్పత్తికి అత్యంత ఆశాజనకమైన మార్గాలుగా భావిస్తున్నారు, ఎందుకంటే అవి ఒకేసారి పెద్ద వాల్యూమ్‌లను మరియు తక్కువ లోప సాంద్రతలను సాధించగలవు. ఇప్పటి వరకు, జపాన్ యొక్క నావెల్ క్రిస్టల్ టెక్నాలజీ కరిగే పెరుగుదల β-Ga2O3 కోసం వాణిజ్య మాతృకను గ్రహించింది.

1.1 క్జోక్రాల్స్కీ పద్ధతి

చ్జోక్రాల్స్కీ పద్ధతి యొక్క సూత్రం ఏమిటంటే, విత్తన పొరను మొదట కప్పి, ఆపై సింగిల్ క్రిస్టల్‌ను నెమ్మదిగా కరిగే ప్రదేశం నుండి బయటకు తీస్తారు. చ్జోక్రాల్స్కీ పద్ధతి దాని ఖర్చు-ప్రభావం, పెద్ద పరిమాణ సామర్థ్యాలు మరియు అధిక క్రిస్టల్ నాణ్యత గల ఉపరితల పెరుగుదల కారణంగా β-Ga2O3 కి చాలా ముఖ్యమైనది. అయితే, Ga2O3 యొక్క అధిక-ఉష్ణోగ్రత పెరుగుదల సమయంలో ఉష్ణ ఒత్తిడి కారణంగా, సింగిల్ స్ఫటికాల బాష్పీభవనం, కరిగే పదార్థాలు మరియు Ir క్రూసిబుల్‌కు నష్టం జరుగుతుంది. Ga2O3 లో తక్కువ n-రకం డోపింగ్ సాధించడంలో ఇబ్బంది ఫలితంగా ఇది జరుగుతుంది. పెరుగుదల వాతావరణంలోకి తగిన మొత్తంలో ఆక్సిజన్‌ను ప్రవేశపెట్టడం ఈ సమస్యను పరిష్కరించడానికి ఒక మార్గం. ఆప్టిమైజేషన్ ద్వారా, 10^16~10^19 cm-3 ఉచిత ఎలక్ట్రాన్ సాంద్రత పరిధి మరియు 160 cm2/Vs గరిష్ట ఎలక్ట్రాన్ సాంద్రత కలిగిన అధిక-నాణ్యత 2-అంగుళాల β-Ga2O3 ను చ్జోక్రాల్స్కీ పద్ధతి ద్వారా విజయవంతంగా పెంచారు.

చిత్రం 2 జోక్రోల్స్కీ పద్ధతి ద్వారా పెరిగిన β-Ga2O3 యొక్క సింగిల్ క్రిస్టల్

1.2 ఎడ్జ్-డిఫైన్డ్ ఫిల్మ్ ఫీడింగ్ పద్ధతి

పెద్ద-ప్రాంత Ga2O3 సింగిల్ క్రిస్టల్ పదార్థాల వాణిజ్య ఉత్పత్తికి అంచు-నిర్వచించబడిన సన్నని పొర దాణా పద్ధతి ప్రముఖ పోటీదారుగా పరిగణించబడుతుంది. ఈ పద్ధతి యొక్క సూత్రం ఏమిటంటే, కరిగే పదార్థాన్ని కేశనాళిక చీలికతో కూడిన అచ్చులో ఉంచడం మరియు కరిగే పదార్థాన్ని కేశనాళిక చర్య ద్వారా అచ్చుకు పైకి లేపడం. పైభాగంలో, ఒక సన్నని పొర ఏర్పడి, సీడ్ క్రిస్టల్ ద్వారా స్ఫటికీకరించడానికి ప్రేరేపించబడుతూ అన్ని దిశలలో వ్యాపిస్తుంది. అదనంగా, అచ్చు పైభాగం యొక్క అంచులను రేకులు, గొట్టాలు లేదా ఏదైనా కావలసిన జ్యామితిలో స్ఫటికాలను ఉత్పత్తి చేయడానికి నియంత్రించవచ్చు. Ga2O3 యొక్క అంచు-నిర్వచించబడిన సన్నని పొర దాణా పద్ధతి వేగవంతమైన వృద్ధి రేట్లు మరియు పెద్ద వ్యాసాలను అందిస్తుంది. చిత్రం 3 β-Ga2O3 సింగిల్ క్రిస్టల్ యొక్క రేఖాచిత్రాన్ని చూపిస్తుంది. అదనంగా, పరిమాణ స్కేల్ పరంగా, అద్భుతమైన పారదర్శకత మరియు ఏకరూపత కలిగిన 2-అంగుళాల మరియు 4-అంగుళాల β-Ga2O3 సబ్‌స్ట్రేట్‌లు వాణిజ్యీకరించబడ్డాయి, అయితే 6-అంగుళాల సబ్‌స్ట్రేట్ భవిష్యత్ వాణిజ్యీకరణ కోసం పరిశోధనలో ప్రదర్శించబడింది. ఇటీవల, పెద్ద వృత్తాకార సింగిల్-క్రిస్టల్ బల్క్ మెటీరియల్స్ (−201) ఓరియంటేషన్‌తో కూడా అందుబాటులోకి వచ్చాయి. అదనంగా, β-Ga2O3 ఎడ్జ్-డిఫైన్డ్ ఫిల్మ్ ఫీడింగ్ పద్ధతి కూడా పరివర్తన లోహ మూలకాల డోపింగ్‌ను ప్రోత్సహిస్తుంది, Ga2O3 పరిశోధన మరియు తయారీని సాధ్యం చేస్తుంది.

చిత్రం 3 అంచు-నిర్వచించిన ఫిల్మ్ ఫీడింగ్ పద్ధతి ద్వారా పెరిగిన β-Ga2O3 సింగిల్ క్రిస్టల్

1.3 బ్రిడ్జ్‌మ్యాన్ పద్ధతి

బ్రిడ్జ్‌మాన్ పద్ధతిలో, స్ఫటికాలు ఉష్ణోగ్రత ప్రవణత ద్వారా క్రమంగా కదిలే క్రూసిబుల్‌లో ఏర్పడతాయి. ఈ ప్రక్రియను క్షితిజ సమాంతర లేదా నిలువు ధోరణిలో నిర్వహించవచ్చు, సాధారణంగా తిరిగే క్రూసిబుల్‌ని ఉపయోగించి. ఈ పద్ధతిలో క్రిస్టల్ విత్తనాలను ఉపయోగించవచ్చో లేదా ఉపయోగించకపోవచ్చో గమనించడం విలువ. సాంప్రదాయ బ్రిడ్జ్‌మాన్ ఆపరేటర్లు ద్రవీభవన మరియు క్రిస్టల్ పెరుగుదల ప్రక్రియల ప్రత్యక్ష దృశ్యమానతను కలిగి ఉండరు మరియు అధిక ఖచ్చితత్వంతో ఉష్ణోగ్రతలను నియంత్రించాలి. నిలువు బ్రిడ్జ్‌మాన్ పద్ధతి ప్రధానంగా β-Ga2O3 పెరుగుదలకు ఉపయోగించబడుతుంది మరియు గాలి వాతావరణంలో పెరిగే సామర్థ్యానికి ప్రసిద్ధి చెందింది. నిలువు బ్రిడ్జ్‌మాన్ పద్ధతి వృద్ధి ప్రక్రియలో, కరిగే మరియు క్రూసిబుల్ యొక్క మొత్తం ద్రవ్యరాశి నష్టం 1% కంటే తక్కువగా ఉంచబడుతుంది, ఇది తక్కువ నష్టంతో పెద్ద β-Ga2O3 సింగిల్ స్ఫటికాల పెరుగుదలను అనుమతిస్తుంది.

చిత్రం 4 బ్రిడ్జ్‌మాన్ పద్ధతి ద్వారా పెరిగిన β-Ga2O3 యొక్క సింగిల్ క్రిస్టల్

1.4 ఫ్లోటింగ్ జోన్ పద్ధతి

ఫ్లోటింగ్ జోన్ పద్ధతి క్రూసిబుల్ పదార్థాల ద్వారా క్రిస్టల్ కాలుష్యం సమస్యను పరిష్కరిస్తుంది మరియు అధిక ఉష్ణోగ్రత నిరోధక ఇన్ఫ్రారెడ్ క్రూసిబుల్స్‌తో సంబంధం ఉన్న అధిక ఖర్చులను తగ్గిస్తుంది. ఈ పెరుగుదల ప్రక్రియలో, కరిగే ద్రవాన్ని RF మూలం కంటే దీపం ద్వారా వేడి చేయవచ్చు, తద్వారా వృద్ధి పరికరాల అవసరాలను సులభతరం చేస్తుంది. ఫ్లోటింగ్ జోన్ పద్ధతి ద్వారా పెరిగిన β-Ga2O3 యొక్క ఆకారం మరియు క్రిస్టల్ నాణ్యత ఇంకా సరైనవి కానప్పటికీ, ఈ పద్ధతి అధిక-స్వచ్ఛత β-Ga2O3ని బడ్జెట్-స్నేహపూర్వక సింగిల్ స్ఫటికాలుగా పెంచడానికి ఒక ఆశాజనక పద్ధతిని తెరుస్తుంది.

ఫ్లోటింగ్ జోన్ పద్ధతి ద్వారా పెరిగిన β-Ga2O3 సింగిల్ క్రిస్టల్ చిత్రం 5.