গ্যালিয়াম অক্সাইড একক স্ফটিক এবং এপিটাক্সিয়াল বৃদ্ধি প্রযুক্তি

সিলিকন কার্বাইড (SiC) এবং গ্যালিয়াম নাইট্রাইড (GaN) দ্বারা উপস্থাপিত ওয়াইড ব্যান্ডগ্যাপ (WBG) সেমিকন্ডাক্টরগুলি ব্যাপক মনোযোগ পেয়েছে। বৈদ্যুতিক যানবাহন এবং পাওয়ার গ্রিডে সিলিকন কার্বাইডের প্রয়োগের সম্ভাবনার পাশাপাশি দ্রুত চার্জিংয়ে গ্যালিয়াম নাইট্রাইডের প্রয়োগের সম্ভাবনার জন্য মানুষের উচ্চ প্রত্যাশা রয়েছে। সাম্প্রতিক বছরগুলিতে, Ga2O3, AlN এবং হীরার উপকরণগুলির উপর গবেষণা উল্লেখযোগ্য অগ্রগতি করেছে, অতি-প্রশস্ত ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর উপকরণগুলিকে মনোযোগের কেন্দ্রবিন্দুতে পরিণত করেছে৷ তাদের মধ্যে, গ্যালিয়াম অক্সাইড (Ga2O3) হল একটি উদীয়মান আল্ট্রা-ওয়াইড-ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর উপাদান যার ব্যান্ড গ্যাপ 4.8 eV, একটি তাত্ত্বিক সমালোচনামূলক ব্রেকডাউন ক্ষেত্রের শক্তি প্রায় 8 MV cm-1, একটি সম্পৃক্ততা বেগ প্রায় 2E7cm s-1, এবং 3000 এর একটি উচ্চ বালিগা মানের ফ্যাক্টর, ব্যাপকভাবে প্রাপ্তি উচ্চ ভোল্টেজ এবং উচ্চ ফ্রিকোয়েন্সি পাওয়ার ইলেকট্রনিক্স ক্ষেত্রে মনোযোগ।

1. গ্যালিয়াম অক্সাইড উপাদান বৈশিষ্ট্য

Ga2O3 এর একটি বৃহৎ ব্যান্ড গ্যাপ (4.8 eV), উচ্চ ভোল্টেজ এবং উচ্চ ক্ষমতা উভয়ই অর্জন করবে বলে আশা করা হচ্ছে, এবং তুলনামূলকভাবে কম প্রতিরোধে উচ্চ ভোল্টেজ অভিযোজনযোগ্যতার সম্ভাবনা থাকতে পারে, যা বর্তমান গবেষণার কেন্দ্রবিন্দুতে পরিণত হয়েছে। উপরন্তু, Ga2O3 শুধুমাত্র চমৎকার উপাদান বৈশিষ্ট্যই নয়, এটি বিভিন্ন সহজে সামঞ্জস্যযোগ্য এন-টাইপ ডোপিং প্রযুক্তি, সেইসাথে কম খরচে সাবস্ট্রেট বৃদ্ধি এবং এপিটাক্সি প্রযুক্তি প্রদান করে। এ পর্যন্ত, কোরান্ডাম (α), মনোক্লিনিক (β), ত্রুটিপূর্ণ স্পিনেল (γ), কিউবিক (δ) এবং অর্থরহম্বিক (ɛ) পর্যায় সহ Ga2O3-তে পাঁচটি ভিন্ন স্ফটিক পর্যায় আবিষ্কৃত হয়েছে। থার্মোডাইনামিক স্থিতিশীলতা হল, γ, δ, α, ɛ, এবং β। এটি লক্ষণীয় যে মনোক্লিনিক β-Ga2O3 সবচেয়ে স্থিতিশীল, বিশেষ করে উচ্চ তাপমাত্রায়, যখন অন্যান্য পর্যায়গুলি ঘরের তাপমাত্রার উপরে মেটাস্টেবল এবং নির্দিষ্ট তাপীয় অবস্থার অধীনে β ফেজে রূপান্তরিত হয়। অতএব, β-Ga2O3-ভিত্তিক ডিভাইসগুলির বিকাশ সাম্প্রতিক বছরগুলিতে পাওয়ার ইলেকট্রনিক্স ক্ষেত্রে একটি প্রধান ফোকাস হয়ে উঠেছে।

সারণী 1 কিছু অর্ধপরিবাহী উপাদান পরামিতি তুলনা

monoclinicβ-Ga2O3-এর স্ফটিক কাঠামোটি সারণি 1-এ দেখানো হয়েছে। এর জালির প্যারামিটারগুলির মধ্যে রয়েছে a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, এবং β = 103.8°। একক কোষে পাকানো টেট্রাহেড্রাল সমন্বয় সহ Ga(I) পরমাণু এবং অষ্টহেড্রাল সমন্বয় সহ Ga(II) পরমাণু থাকে। দুটি ত্রিভুজাকারভাবে সমন্বিত O(I) এবং O(II) পরমাণু এবং একটি টেট্রাহেড্রালি সমন্বিত O(III) পরমাণু সহ "টুইস্টেড কিউবিক" অ্যারেতে অক্সিজেন পরমাণুর তিনটি ভিন্ন ব্যবস্থা রয়েছে। এই দুই ধরনের পারমাণবিক সমন্বয়ের সংমিশ্রণ পদার্থবিদ্যা, রাসায়নিক ক্ষয়, আলোকবিদ্যা এবং ইলেকট্রনিক্সে বিশেষ বৈশিষ্ট্য সহ β-Ga2O3 এর অ্যানিসোট্রপির দিকে পরিচালিত করে।

চিত্র 1 মনোক্লিনিক β-Ga2O3 ক্রিস্টালের পরিকল্পিত কাঠামোগত চিত্র

শক্তি ব্যান্ড তত্ত্বের দৃষ্টিকোণ থেকে, β-Ga2O3 এর পরিবাহী ব্যান্ডের ন্যূনতম মান Ga পরমাণুর 4s0 হাইব্রিড কক্ষপথের সাথে সম্পর্কিত শক্তি অবস্থা থেকে প্রাপ্ত হয়। পরিবাহী ব্যান্ডের ন্যূনতম মান এবং ভ্যাকুয়াম এনার্জি লেভেলের (ইলেক্ট্রন অ্যাফিনিটি এনার্জি) মধ্যে শক্তির পার্থক্য পরিমাপ করা হয়। 4 eV হয়। β-Ga2O3 এর কার্যকরী ইলেক্ট্রন ভর 0.28–0.33 me এবং এর অনুকূল বৈদ্যুতিন পরিবাহিতা হিসাবে পরিমাপ করা হয়। যাইহোক, ভ্যালেন্স ব্যান্ড সর্বাধিক একটি অগভীর এক বক্রতা প্রদর্শন করে এবং খুব কম বক্রতা এবং দৃঢ়ভাবে স্থানীয়কৃত O2p অরবিটালগুলিকে নির্দেশ করে যে গর্তগুলি গভীরভাবে স্থানীয়করণ করা হয়েছে। এই বৈশিষ্ট্যগুলি β-Ga2O3 এ পি-টাইপ ডোপিং অর্জনের জন্য একটি বিশাল চ্যালেঞ্জ তৈরি করে। এমনকি যদি পি-টাইপ ডোপিং অর্জন করা যায়, গর্ত μ খুব নিম্ন স্তরে থাকে। 2. বাল্ক গ্যালিয়াম অক্সাইড একক স্ফটিক বৃদ্ধি এখন পর্যন্ত, β-Ga2O3 বাল্ক একক ক্রিস্টাল সাবস্ট্রেটের বৃদ্ধির পদ্ধতিটি মূলত স্ফটিক টানার পদ্ধতি, যেমন Czochralski (CZ), প্রান্ত-সংজ্ঞায়িত পাতলা ফিল্ম ফিডিং পদ্ধতি (এজ-ডিফাইন ফিল্ম-ফেড) , EFG), Bridgman (rtical or horizontal Bridgman, HB বা ভিবি) এবং ভাসমান অঞ্চল (ভাসমান অঞ্চল, এফজেড) প্রযুক্তি। সমস্ত পদ্ধতির মধ্যে, Czochralski এবং প্রান্ত-সংজ্ঞায়িত পাতলা-ফিল্ম খাওয়ানোর পদ্ধতিগুলি ভবিষ্যতে β-Ga 2O3 ওয়েফারগুলির ব্যাপক উত্পাদনের জন্য সবচেয়ে প্রতিশ্রুতিবদ্ধ উপায় হবে বলে আশা করা হচ্ছে, কারণ তারা একই সাথে বড় আয়তন এবং কম ত্রুটির ঘনত্ব অর্জন করতে পারে। এখন পর্যন্ত, জাপানের নভেল ক্রিস্টাল প্রযুক্তি β-Ga2O3 গলে যাওয়ার জন্য একটি বাণিজ্যিক ম্যাট্রিক্স উপলব্ধি করেছে।

1.1 Czochralski পদ্ধতি

Czochralski পদ্ধতির নীতি হল যে বীজ স্তরটি প্রথমে আচ্ছাদিত করা হয়, এবং তারপরে একক স্ফটিকটি ধীরে ধীরে গলিত থেকে বের করা হয়। Czochralski পদ্ধতিটি β-Ga2O3 এর জন্য ক্রমবর্ধমানভাবে গুরুত্বপূর্ণ হয়ে উঠেছে এর খরচ-কার্যকারিতা, বড় আকারের ক্ষমতা এবং উচ্চ ক্রিস্টাল মানের সাবস্ট্রেট বৃদ্ধির কারণে। যাইহোক, Ga2O3 এর উচ্চ-তাপমাত্রার বৃদ্ধির সময় তাপীয় চাপের কারণে, একক স্ফটিকের বাষ্পীভবন, দ্রবীভূত পদার্থ এবং Ir ক্রুসিবলের ক্ষতি ঘটবে। এটি Ga2O3-তে কম এন-টাইপ ডোপিং অর্জনে অসুবিধার ফলাফল। বৃদ্ধির বায়ুমণ্ডলে যথাযথ পরিমাণে অক্সিজেন প্রবর্তন করা এই সমস্যা সমাধানের একটি উপায়। অপ্টিমাইজেশনের মাধ্যমে, উচ্চ-মানের 2-ইঞ্চি β-Ga2O3 একটি বিনামূল্যের ইলেক্ট্রন ঘনত্ব 10^16~10^19 cm-3 এবং সর্বাধিক ইলেকট্রন ঘনত্ব 160 cm2/Vs সফলভাবে Czochralski পদ্ধতিতে বৃদ্ধি করা হয়েছে।

চিত্র 2 Czochralski পদ্ধতিতে জন্মানো β-Ga2O3 এর একক স্ফটিক

1.2 প্রান্ত-সংজ্ঞায়িত ফিল্ম খাওয়ানোর পদ্ধতি

প্রান্ত-সংজ্ঞায়িত পাতলা ফিল্ম ফিডিং পদ্ধতিটি বৃহৎ-এলাকার Ga2O3 একক ক্রিস্টাল সামগ্রীর বাণিজ্যিক উত্পাদনের জন্য প্রধান প্রতিযোগী হিসাবে বিবেচিত হয়। এই পদ্ধতির নীতি হল একটি কৈশিক স্লিট সহ একটি ছাঁচে গলিত করা, এবং গলিত কৈশিক ক্রিয়া দ্বারা ছাঁচে উঠে যায়। শীর্ষে, একটি পাতলা ফিল্ম গঠন করে এবং সমস্ত দিকে ছড়িয়ে পড়ে যখন বীজ স্ফটিক দ্বারা স্ফটিক করতে প্ররোচিত হয়। অতিরিক্তভাবে, ছাঁচের শীর্ষের প্রান্তগুলি ফ্লেক্স, টিউব বা যেকোনো পছন্দসই জ্যামিতিতে স্ফটিক তৈরি করতে নিয়ন্ত্রণ করা যেতে পারে। Ga2O3-এর প্রান্ত-সংজ্ঞায়িত পাতলা ফিল্ম ফিডিং পদ্ধতি দ্রুত বৃদ্ধির হার এবং বড় ব্যাস প্রদান করে। চিত্র 3 একটি β-Ga2O3 একক স্ফটিকের একটি চিত্র দেখায়। উপরন্তু, সাইজ স্কেলের পরিপ্রেক্ষিতে, চমৎকার স্বচ্ছতা এবং অভিন্নতা সহ 2-ইঞ্চি এবং 4-ইঞ্চি β-Ga2O3 সাবস্ট্রেট বাণিজ্যিকীকরণ করা হয়েছে, যখন 6-ইঞ্চি সাবস্ট্রেট ভবিষ্যতের বাণিজ্যিকীকরণের জন্য গবেষণায় প্রদর্শিত হয়েছে। সম্প্রতি, বৃহৎ বৃত্তাকার একক-ক্রিস্টাল বাল্ক উপকরণগুলিও (−201) অভিযোজন সহ উপলব্ধ হয়েছে। উপরন্তু, β-Ga2O3 প্রান্ত-সংজ্ঞায়িত ফিল্ম ফিডিং পদ্ধতিও ট্রানজিশন ধাতু উপাদানের ডোপিংকে উৎসাহিত করে, যার ফলে Ga2O3 গবেষণা ও প্রস্তুতি সম্ভব হয়।

চিত্র 3 β-Ga2O3 একক ক্রিস্টাল প্রান্ত-সংজ্ঞায়িত ফিল্ম ফিডিং পদ্ধতি দ্বারা উত্থিত

1.3 ব্রিজম্যান পদ্ধতি

ব্রিজম্যান পদ্ধতিতে, ক্রুসিবলে স্ফটিক তৈরি হয় যা তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্টের মাধ্যমে ধীরে ধীরে সরানো হয়। প্রক্রিয়াটি একটি অনুভূমিক বা উল্লম্ব অভিযোজনে সঞ্চালিত হতে পারে, সাধারণত একটি ঘূর্ণায়মান ক্রুসিবল ব্যবহার করে। এটি লক্ষণীয় যে এই পদ্ধতিটি স্ফটিক বীজ ব্যবহার করতে পারে বা নাও পারে। প্রথাগত ব্রিজম্যান অপারেটরদের গলে যাওয়া এবং স্ফটিক বৃদ্ধির প্রক্রিয়াগুলির সরাসরি দৃশ্যায়নের অভাব রয়েছে এবং উচ্চ নির্ভুলতার সাথে তাপমাত্রা নিয়ন্ত্রণ করতে হবে। উল্লম্ব ব্রিজম্যান পদ্ধতিটি মূলত β-Ga2O3 বৃদ্ধির জন্য ব্যবহৃত হয় এবং এটি বায়ু পরিবেশে বৃদ্ধি পাওয়ার জন্য পরিচিত। উল্লম্ব ব্রিজম্যান পদ্ধতির বৃদ্ধি প্রক্রিয়া চলাকালীন, গলিত এবং ক্রুসিবলের মোট ভর ক্ষতি 1% এর নিচে রাখা হয়, যা ন্যূনতম ক্ষতি সহ বড় β-Ga2O3 একক স্ফটিকের বৃদ্ধি সক্ষম করে।

চিত্র 4 ব্রিজম্যান পদ্ধতিতে জন্মানো β-Ga2O3 এর একক স্ফটিক

1.4 ভাসমান অঞ্চল পদ্ধতি

ভাসমান অঞ্চল পদ্ধতি ক্রুসিবল উপকরণ দ্বারা স্ফটিক দূষণের সমস্যা সমাধান করে এবং উচ্চ তাপমাত্রা প্রতিরোধী ইনফ্রারেড ক্রুসিবলের সাথে যুক্ত উচ্চ খরচ হ্রাস করে। এই বৃদ্ধির প্রক্রিয়া চলাকালীন, গলে যাওয়াকে RF উত্সের পরিবর্তে একটি বাতি দ্বারা উত্তপ্ত করা যেতে পারে, এইভাবে বৃদ্ধির সরঞ্জামগুলির প্রয়োজনীয়তাগুলিকে সরল করা যায়। যদিও ভাসমান জোন পদ্ধতিতে উত্থিত β-Ga2O3 এর আকৃতি এবং স্ফটিক গুণমান এখনও সর্বোত্তম নয়, এই পদ্ধতিটি উচ্চ-বিশুদ্ধতা β-Ga2O3কে বাজেট-বান্ধব একক স্ফটিকগুলিতে বৃদ্ধির জন্য একটি প্রতিশ্রুতিশীল পদ্ধতি উন্মুক্ত করে।

চিত্র 5 β-Ga2O3 একক ক্রিস্টাল ভাসমান অঞ্চল পদ্ধতিতে জন্মানো।