గాలియం ఆక్సైడ్ సింగిల్ క్రిస్టల్ మరియు ఎపిటాక్సియల్ గ్రోత్ టెక్నాలజీ

సిలికాన్ కార్బైడ్ (SiC) మరియు గాలియం నైట్రైడ్ (GaN) వంటి వైడ్ బ్యాండ్‌గ్యాప్ (WBG) సెమీకండక్టర్లు విస్తృతమైన దృష్టిని ఆకర్షించాయి. ఎలక్ట్రిక్ వాహనాలు మరియు పవర్ గ్రిడ్‌లలో సిలికాన్ కార్బైడ్ యొక్క అనువర్తన అవకాశాలపై, అలాగే ఫాస్ట్ ఛార్జింగ్‌లో గాలియం నైట్రైడ్ యొక్క అనువర్తన అవకాశాలపై ప్రజలకు అధిక అంచనాలు ఉన్నాయి. ఇటీవలి సంవత్సరాలలో, Ga2O3, AlN మరియు డైమండ్ పదార్థాలపై పరిశోధన గణనీయమైన పురోగతిని సాధించింది, దీనితో అల్ట్రా-వైడ్ బ్యాండ్‌గ్యాప్ సెమీకండక్టర్ పదార్థాలు దృష్టిని ఆకర్షించాయి. వాటిలో, గాలియం ఆక్సైడ్ (Ga2O3) ఒక అభివృద్ధి చెందుతున్న అల్ట్రా-వైడ్-బ్యాండ్‌గ్యాప్ సెమీకండక్టర్ పదార్థం. దీనికి 4.8 eV బ్యాండ్ గ్యాప్, సుమారు 8 MV cm-1 సైద్ధాంతిక క్రిటికల్ బ్రేక్‌డౌన్ ఫీల్డ్ స్ట్రెంత్, సుమారు 2E7cm s-1 శాచురేషన్ వెలాసిటీ మరియు 3000 అధిక బాలిగా క్వాలిటీ ఫ్యాక్టర్ ఉన్నాయి. ఇది హై వోల్టేజ్ మరియు హై ఫ్రీక్వెన్సీ పవర్ ఎలక్ట్రానిక్స్ రంగంలో విస్తృతమైన దృష్టిని ఆకర్షిస్తోంది.

1. గాలియం ఆక్సైడ్ పదార్థ లక్షణాలు

Ga2O3 ఒక పెద్ద బ్యాండ్ గ్యాప్ (4.8 eV) కలిగి ఉంది, అధిక విత్‌స్టాండ్ వోల్టేజ్ మరియు అధిక పవర్ సామర్థ్యాలను రెండింటినీ సాధిస్తుందని అంచనా వేయబడింది, మరియు సాపేక్షంగా తక్కువ నిరోధకత వద్ద అధిక వోల్టేజ్ అనుకూలతకు సంభావ్యతను కలిగి ఉంటుంది, అందువల్ల ఇది ప్రస్తుత పరిశోధనలో ప్రధాన కేంద్రంగా ఉంది. అదనంగా, Ga2O3 అద్భుతమైన పదార్థ లక్షణాలను కలిగి ఉండటమే కాకుండా, సులభంగా సర్దుబాటు చేయగల వివిధ రకాల n-రకం డోపింగ్ టెక్నాలజీలను, అలాగే తక్కువ-ధర సబ్‌స్ట్రేట్ గ్రోత్ మరియు ఎపిటాక్సీ టెక్నాలజీలను కూడా అందిస్తుంది. ఇప్పటివరకు, Ga2O3లో కొరండం (α), మోనోక్లినిక్ (β), డిఫెక్టివ్ స్పినెల్ (γ), క్యూబిక్ (δ) మరియు ఆర్థోరాంబిక్ (ɛ) దశలతో సహా ఐదు విభిన్న క్రిస్టల్ దశలు కనుగొనబడ్డాయి. వాటి థర్మోడైనమిక్ స్థిరత్వాలు వరుసగా γ, δ, α, ɛ, మరియు β. గమనించదగ్గ విషయం ఏమిటంటే, మోనోక్లినిక్ β-Ga2O3 అత్యంత స్థిరమైనది, ముఖ్యంగా అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద, అయితే ఇతర దశలు గది ఉష్ణోగ్రత కంటే పైన అస్థిరంగా ఉంటాయి మరియు నిర్దిష్ట ఉష్ణ పరిస్థితులలో β దశగా రూపాంతరం చెందుతాయి. అందువల్ల, ఇటీవలి సంవత్సరాలలో పవర్ ఎలక్ట్రానిక్స్ రంగంలో β-Ga2O3-ఆధారిత పరికరాల అభివృద్ధి ఒక ప్రధాన దృష్టి కేంద్రంగా మారింది.

పట్టిక 1 కొన్ని సెమీకండక్టర్ పదార్థ పారామితుల పోలిక

మోనోక్లినిక్ β-Ga2O3 యొక్క స్ఫటిక నిర్మాణం పట్టిక 1లో చూపబడింది. దీని లాటిస్ పారామితులలో a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, మరియు β = 103.8° ఉన్నాయి. యూనిట్ సెల్‌లో మెలితిరిగిన టెట్రాహెడ్రల్ కోఆర్డినేషన్‌తో ఉన్న Ga(I) పరమాణువులు మరియు అష్టభుజి కోఆర్డినేషన్‌తో ఉన్న Ga(II) పరమాణువులు ఉంటాయి. "మెలితిరిగిన క్యూబిక్" శ్రేణిలో ఆక్సిజన్ పరమాణువులు మూడు విభిన్న అమరికలలో ఉంటాయి, వీటిలో త్రిభుజాకారంగా కోఆర్డినేట్ చేయబడిన రెండు O(I) మరియు O(II) పరమాణువులు మరియు టెట్రాహెడ్రల్‌గా కోఆర్డినేట్ చేయబడిన ఒక O(III) పరమాణువు ఉన్నాయి. ఈ రెండు రకాల పరమాణు కోఆర్డినేషన్‌ల కలయిక, భౌతిక శాస్త్రం, రసాయన క్షయం, ఆప్టిక్స్ మరియు ఎలక్ట్రానిక్స్‌లో ప్రత్యేక లక్షణాలతో కూడిన β-Ga2O3 యొక్క అనైసోట్రోపీకి దారితీస్తుంది.

పటం 1 మోనోక్లినిక్ β-Ga2O3 స్ఫటికం యొక్క పథక నిర్మాణ రేఖాచిత్రం

శక్తి పట్టీ సిద్ధాంతం దృక్కోణం నుండి, β-Ga2O3 యొక్క వాహక పట్టీ యొక్క కనిష్ట విలువ Ga పరమాణువు యొక్క 4s0 హైబ్రిడ్ ఆర్బిట్‌కు అనుగుణమైన శక్తి స్థితి నుండి ఉద్భవించింది. వాహక పట్టీ యొక్క కనిష్ట విలువ మరియు వాక్యూమ్ శక్తి స్థాయి (ఎలక్ట్రాన్ అఫినిటీ ఎనర్జీ) మధ్య శక్తి వ్యత్యాసం 4 eVగా కొలవబడింది. β-Ga2O3 యొక్క ప్రభావవంతమైన ఎలక్ట్రాన్ ద్రవ్యరాశి 0.28–0.33 meగా మరియు దాని అనుకూలమైన ఎలక్ట్రానిక్ వాహకతగా కొలవబడింది. అయితే, వాలెన్స్ పట్టీ గరిష్ఠం చాలా తక్కువ వక్రత మరియు బలంగా స్థానికీకరించబడిన O2p ఆర్బిటాల్‌లతో నిస్సారమైన Ek వక్రతను ప్రదర్శిస్తుంది, ఇది హోల్స్ లోతుగా స్థానికీకరించబడ్డాయని సూచిస్తుంది. ఈ లక్షణాలు β-Ga2O3లో p-రకం డోపింగ్‌ను సాధించడానికి ఒక పెద్ద సవాలును విసురుతున్నాయి. ఒకవేళ p-రకం డోపింగ్‌ను సాధించగలిగినప్పటికీ, హోల్ μ చాలా తక్కువ స్థాయిలో ఉంటుంది. 2. బల్క్ గాలియం ఆక్సైడ్ సింగిల్ క్రిస్టల్ యొక్క పెరుగుదల. ఇప్పటివరకు, β-Ga2O3 బల్క్ సింగిల్ క్రిస్టల్ సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క పెరుగుదల పద్ధతి ప్రధానంగా క్రిస్టల్ పుల్లింగ్ పద్ధతి, అవి: జోక్రాల్స్కీ (CZ), ఎడ్జ్-డిఫైన్డ్ థిన్ ఫిల్మ్ ఫీడింగ్ పద్ధతి (ఎడ్జ్-డిఫైన్డ్ ఫిల్మ్-ఫెడ్, EFG), బ్రిడ్జ్‌మ్యాన్ (ఆర్టికల్ లేదా హారిజాంటల్ బ్రిడ్జ్‌మ్యాన్, HB లేదా VB) మరియు ఫ్లోటింగ్ జోన్ (ఫ్లోటింగ్ జోన్, FZ) టెక్నాలజీ. అన్ని పద్ధతులలో, జోక్రాల్స్కీ మరియు ఎడ్జ్-డిఫైన్డ్ థిన్-ఫిల్మ్ ఫీడింగ్ పద్ధతులు భవిష్యత్తులో β-Ga2O3 వేఫర్‌ల భారీ ఉత్పత్తికి అత్యంత ఆశాజనకమైన మార్గాలుగా భావిస్తున్నారు, ఎందుకంటే అవి ఏకకాలంలో పెద్ద పరిమాణాలను మరియు తక్కువ లోప సాంద్రతలను సాధించగలవు. ఇప్పటివరకు, జపాన్‌కు చెందిన నోవెల్ క్రిస్టల్ టెక్నాలజీ, మెల్ట్ గ్రోత్ β-Ga2O3 కోసం ఒక వాణిజ్య మ్యాట్రిక్స్‌ను రూపొందించింది.

1.1 జోక్రాల్స్కీ పద్ధతి

జోక్రాల్స్కీ పద్ధతి యొక్క సూత్రం ఏమిటంటే, మొదట సీడ్ లేయర్‌ను కప్పి, ఆపై ద్రవరూపం నుండి సింగిల్ క్రిస్టల్‌ను నెమ్మదిగా బయటకు తీయడం. దాని తక్కువ ఖర్చు, పెద్ద పరిమాణ సామర్థ్యాలు మరియు అధిక క్రిస్టల్ నాణ్యత గల సబ్‌స్ట్రేట్ వృద్ధి కారణంగా β-Ga2O3 కోసం జోక్రాల్స్కీ పద్ధతికి ప్రాముఖ్యత పెరుగుతోంది. అయితే, Ga2O3 యొక్క అధిక-ఉష్ణోగ్రత వృద్ధి సమయంలో ఏర్పడే ఉష్ణ ఒత్తిడి కారణంగా, సింగిల్ క్రిస్టల్స్, ద్రవరూప పదార్థాలు ఆవిరైపోవడం మరియు Ir క్రూసిబుల్‌కు నష్టం జరగడం వంటివి సంభవిస్తాయి. Ga2O3లో తక్కువ n-రకం డోపింగ్‌ను సాధించడంలో ఉన్న కష్టమే దీనికి కారణం. వృద్ధి వాతావరణంలోకి తగినంత ఆక్సిజన్‌ను ప్రవేశపెట్టడం ఈ సమస్యను పరిష్కరించడానికి ఒక మార్గం. ఆప్టిమైజేషన్ ద్వారా, జోక్రాల్స్కీ పద్ధతి ద్వారా 10^16~10^19 cm-3 పరిధిలో స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్ సాంద్రత మరియు 160 cm2/Vs గరిష్ట ఎలక్ట్రాన్ సాంద్రత కలిగిన అధిక-నాణ్యత గల 2-అంగుళాల β-Ga2O3ను విజయవంతంగా పెంచడం జరిగింది.

పటం 2 చోక్రాల్స్కీ పద్ధతి ద్వారా పెంచబడిన β-Ga2O3 యొక్క ఏక స్ఫటికం

1.2 అంచు-నిర్వచించిన ఫిల్మ్ ఫీడింగ్ పద్ధతి

పెద్ద విస్తీర్ణంలో ఉన్న Ga2O3 సింగిల్ క్రిస్టల్ పదార్థాల వాణిజ్య ఉత్పత్తికి, ఎడ్జ్-డిఫైన్డ్ థిన్ ఫిల్మ్ ఫీడింగ్ పద్ధతి ప్రధాన పోటీదారుగా పరిగణించబడుతుంది. ఈ పద్ధతి యొక్క సూత్రం ఏమిటంటే, ద్రవాన్ని ఒక కేశనాళిక చీలిక ఉన్న అచ్చులో ఉంచడం, మరియు ఆ ద్రవం కేశనాళిక చర్య ద్వారా అచ్చులోకి పైకి లేస్తుంది. పైభాగంలో, సీడ్ క్రిస్టల్ ద్వారా స్ఫటికీకరణకు ప్రేరేపించబడుతూ, ఒక పలుచని పొర ఏర్పడి అన్ని దిశలలో వ్యాపిస్తుంది. అదనంగా, రేకులు, గొట్టాలు లేదా కావలసిన ఏ జ్యామితిలోనైనా స్ఫటికాలను ఉత్పత్తి చేయడానికి అచ్చు పైభాగం యొక్క అంచులను నియంత్రించవచ్చు. Ga2O3 యొక్క ఎడ్జ్-డిఫైన్డ్ థిన్ ఫిల్మ్ ఫీడింగ్ పద్ధతి వేగవంతమైన పెరుగుదల రేట్లను మరియు పెద్ద వ్యాసాలను అందిస్తుంది. పటం 3 ఒక β-Ga2O3 సింగిల్ క్రిస్టల్ యొక్క రేఖాచిత్రాన్ని చూపుతుంది. అదనంగా, పరిమాణం పరంగా, అద్భుతమైన పారదర్శకత మరియు ఏకరూపత కలిగిన 2-అంగుళాల మరియు 4-అంగుళాల β-Ga2O3 సబ్‌స్ట్రేట్‌లు వాణిజ్యీకరించబడ్డాయి, అయితే 6-అంగుళాల సబ్‌స్ట్రేట్ భవిష్యత్ వాణిజ్యీకరణ కోసం పరిశోధనలో ప్రదర్శించబడుతోంది. ఇటీవల, (−201) ఓరియంటేషన్‌తో పెద్ద వృత్తాకార సింగిల్-క్రిస్టల్ బల్క్ పదార్థాలు కూడా అందుబాటులోకి వచ్చాయి. దీనికి అదనంగా, β-Ga2O3 ఎడ్జ్-డిఫైన్డ్ ఫిల్మ్ ఫీడింగ్ పద్ధతి పరివర్తన లోహ మూలకాల డోపింగ్‌ను కూడా ప్రోత్సహిస్తుంది, తద్వారా Ga2O3 యొక్క పరిశోధన మరియు తయారీ సాధ్యమవుతుంది.

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

1.3 బ్రిడ్జ్‌మ్యాన్ పద్ధతి

బ్రిడ్జ్‌మ్యాన్ పద్ధతిలో, ఉష్ణోగ్రతా ప్రవణత ద్వారా క్రమంగా కదిలించబడే ఒక మూసలో స్ఫటికాలు ఏర్పడతాయి. ఈ ప్రక్రియను సాధారణంగా తిరిగే మూసను ఉపయోగించి, క్షితిజ సమాంతరంగా లేదా నిలువుగా నిర్వహించవచ్చు. ఈ పద్ధతిలో స్ఫటిక బీజాలను ఉపయోగించవచ్చు లేదా ఉపయోగించకపోవచ్చు అనేది గమనించదగ్గ విషయం. సాంప్రదాయ బ్రిడ్జ్‌మ్యాన్ ఆపరేటర్లకు ద్రవీభవనం మరియు స్ఫటిక వృద్ధి ప్రక్రియలను ప్రత్యక్షంగా చూసే అవకాశం ఉండదు, కాబట్టి వారు ఉష్ణోగ్రతలను అత్యంత కచ్చితత్వంతో నియంత్రించవలసి ఉంటుంది. నిలువు బ్రిడ్జ్‌మ్యాన్ పద్ధతి ప్రధానంగా β-Ga2O3 వృద్ధికి ఉపయోగించబడుతుంది మరియు గాలి వాతావరణంలో వృద్ధి చెందగల దాని సామర్థ్యానికి ప్రసిద్ధి చెందింది. నిలువు బ్రిడ్జ్‌మ్యాన్ పద్ధతి వృద్ధి ప్రక్రియలో, ద్రవం మరియు మూస యొక్క మొత్తం ద్రవ్యరాశి నష్టం 1% కంటే తక్కువగా ఉంచబడుతుంది, దీనివల్ల కనీస నష్టంతో పెద్ద β-Ga2O3 ఏక స్ఫటికాలను పెంచడం సాధ్యమవుతుంది.

పటం 4 బ్రిడ్జ్‌మ్యాన్ పద్ధతి ద్వారా పెంచబడిన β-Ga2O3 యొక్క ఏక స్ఫటికం

1.4 ఫ్లోటింగ్ జోన్ పద్ధతి

ఫ్లోటింగ్ జోన్ పద్ధతి, క్రూసిబుల్ పదార్థాల వల్ల స్ఫటికాలు కలుషితమయ్యే సమస్యను పరిష్కరిస్తుంది మరియు అధిక ఉష్ణోగ్రతను తట్టుకునే ఇన్‌ఫ్రారెడ్ క్రూసిబుల్స్‌తో ముడిపడి ఉన్న అధిక ఖర్చులను తగ్గిస్తుంది. ఈ వృద్ధి ప్రక్రియలో, ద్రవాన్ని RF మూలానికి బదులుగా ఒక దీపం ద్వారా వేడి చేయవచ్చు, తద్వారా వృద్ధి పరికరాల అవసరాలు సరళీకృతం అవుతాయి. ఫ్లోటింగ్ జోన్ పద్ధతి ద్వారా పెంచిన β-Ga2O3 యొక్క ఆకారం మరియు స్ఫటిక నాణ్యత ఇంకా అత్యుత్తమంగా లేనప్పటికీ, ఈ పద్ధతి తక్కువ ఖర్చుతో అధిక స్వచ్ఛత గల β-Ga2O3ను ఏక స్ఫటికాలుగా పెంచడానికి ఒక ఆశాజనకమైన మార్గాన్ని అందిస్తుంది.

పటం 5 ఫ్లోటింగ్ జోన్ పద్ధతి ద్వారా పెంచబడిన β-Ga2O3 సింగిల్ క్రిస్టల్.