ગેલિયમ ઓક્સાઇડ સિંગલ ક્રિસ્ટલ અને એપિટેક્સિયલ ગ્રોથ ટેકનોલોજી

સિલિકોન કાર્બાઈડ (SiC) અને ગેલિયમ નાઈટ્રાઈડ (GaN) દ્વારા રજૂ કરાયેલ વાઈડ બેન્ડગેપ (WBG) સેમિકન્ડક્ટરોએ વ્યાપક ધ્યાન મેળવ્યું છે. લોકો ઇલેક્ટ્રિક વાહનો અને પાવર ગ્રીડમાં સિલિકોન કાર્બાઇડના ઉપયોગની સંભાવનાઓ તેમજ ઝડપી ચાર્જિંગમાં ગેલિયમ નાઇટ્રાઇડની એપ્લિકેશનની સંભાવનાઓ માટે ઉચ્ચ અપેક્ષાઓ ધરાવે છે. તાજેતરના વર્ષોમાં, Ga2O3, AlN અને હીરાની સામગ્રી પરના સંશોધનમાં નોંધપાત્ર પ્રગતિ થઈ છે, જે અલ્ટ્રા-વાઈડ બેન્ડગેપ સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીને ધ્યાનનું કેન્દ્ર બનાવે છે. તેમાંથી, ગેલિયમ ઓક્સાઇડ (Ga2O3) એ 4.8 eV ના બેન્ડ ગેપ સાથે ઉભરતી અલ્ટ્રા-વાઇડ-બેન્ડગેપ સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી છે, જે લગભગ 8 MV cm-1 ની સૈદ્ધાંતિક ક્રિટિકલ બ્રેકડાઉન ફીલ્ડ સ્ટ્રેન્થ છે, સંતૃપ્તિ વેગ લગભગ 2E7cm s-1, અને 3000 નું ઉચ્ચ બલિગા ગુણવત્તા પરિબળ, ઉચ્ચ વોલ્ટેજ અને ઉચ્ચ આવર્તન પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક્સના ક્ષેત્રમાં વ્યાપક ધ્યાન મેળવે છે.

1. ગેલિયમ ઓક્સાઇડ સામગ્રી લાક્ષણિકતાઓ
Ga2O3 પાસે વિશાળ બેન્ડ ગેપ (4.8 eV) છે, તે ઉચ્ચ પ્રતિકારક વોલ્ટેજ અને ઉચ્ચ પાવર ક્ષમતા બંને હાંસલ કરે તેવી અપેક્ષા છે, અને પ્રમાણમાં ઓછા પ્રતિકાર પર ઉચ્ચ વોલ્ટેજ અનુકૂલનક્ષમતા માટે સંભવિત હોઈ શકે છે, જે તેમને વર્તમાન સંશોધનનું કેન્દ્ર બનાવે છે. વધુમાં, Ga2O3માં માત્ર ઉત્તમ ભૌતિક ગુણધર્મો જ નથી, પરંતુ તે વિવિધ પ્રકારની સરળતાથી એડજસ્ટેબલ n-ટાઈપ ડોપિંગ ટેક્નોલોજી, તેમજ ઓછા ખર્ચે સબસ્ટ્રેટ વૃદ્ધિ અને એપિટાક્સી ટેક્નોલોજીઓ પણ પ્રદાન કરે છે. અત્યાર સુધીમાં, Ga2O3 માં પાંચ જુદા જુદા સ્ફટિક તબક્કાઓ શોધવામાં આવ્યા છે, જેમાં કોરન્ડમ (α), મોનોક્લીનિક (β), ખામીયુક્ત સ્પિનલ (γ), ક્યુબિક (δ) અને ઓર્થોરોમ્બિક (ɛ) તબક્કાઓનો સમાવેશ થાય છે. થર્મોડાયનેમિક સ્થિરતા ક્રમમાં, γ, δ, α, ɛ અને β છે. એ નોંધવું યોગ્ય છે કે મોનોક્લિનિક β-Ga2O3 સૌથી વધુ સ્થિર છે, ખાસ કરીને ઊંચા તાપમાને, જ્યારે અન્ય તબક્કાઓ ઓરડાના તાપમાને મેટાસ્ટેબલ હોય છે અને ચોક્કસ થર્મલ પરિસ્થિતિઓમાં β તબક્કામાં પરિવર્તિત થાય છે. તેથી, તાજેતરના વર્ષોમાં પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક્સના ક્ષેત્રમાં β-Ga2O3-આધારિત ઉપકરણોનો વિકાસ મુખ્ય કેન્દ્ર બની ગયો છે.

કોષ્ટક 1 કેટલાક સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી પરિમાણોની સરખામણી

monoclinicβ-Ga2O3 નું સ્ફટિક માળખું કોષ્ટક 1 માં બતાવવામાં આવ્યું છે. તેના જાળીના પરિમાણોમાં a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, અને β = 103.8°નો સમાવેશ થાય છે. એકમ કોષમાં ટ્વિસ્ટેડ ટેટ્રેહેડ્રલ કોઓર્ડિનેશન સાથે Ga(I) પરમાણુ અને અષ્ટાહેડ્રલ કોઓર્ડિનેશન સાથે Ga(II) અણુઓનો સમાવેશ થાય છે. "ટ્વિસ્ટેડ ક્યુબિક" એરેમાં ઓક્સિજન અણુઓની ત્રણ અલગ અલગ વ્યવસ્થાઓ છે, જેમાં બે ત્રિકોણાકાર રીતે સંકલિત O(I) અને O(II) અણુઓ અને એક ટેટ્રાહેડ્રલી સંકલિત O(III) અણુનો સમાવેશ થાય છે. આ બે પ્રકારના પરમાણુ સંકલનનું સંયોજન ભૌતિકશાસ્ત્ર, રાસાયણિક કાટ, ઓપ્ટિક્સ અને ઇલેક્ટ્રોનિક્સમાં વિશિષ્ટ ગુણધર્મો સાથે β-Ga2O3 ની એનિસોટ્રોપી તરફ દોરી જાય છે.

આકૃતિ 1 મોનોક્લીનિક β-Ga2O3 ક્રિસ્ટલનું યોજનાકીય માળખાકીય આકૃતિ

એનર્જી બેન્ડ થિયરીના પરિપ્રેક્ષ્યમાં, β-Ga2O3 ના વહન બેન્ડનું લઘુત્તમ મૂલ્ય Ga અણુની 4s0 હાઇબ્રિડ ભ્રમણકક્ષાને અનુરૂપ ઊર્જા સ્થિતિમાંથી મેળવવામાં આવે છે. વહન બેન્ડના લઘુત્તમ મૂલ્ય અને શૂન્યાવકાશ ઊર્જા સ્તર (ઇલેક્ટ્રોન એફિનિટી એનર્જી) વચ્ચેનો ઊર્જા તફાવત માપવામાં આવે છે. 4 eV છે. β-Ga2O3 નું અસરકારક ઇલેક્ટ્રોન માસ 0.28–0.33 મી અને તેની અનુકૂળ ઇલેક્ટ્રોનિક વાહકતા તરીકે માપવામાં આવે છે. જો કે, વેલેન્સ બેન્ડ મહત્તમ છીછરા Ek વળાંકને ખૂબ જ નીચા વળાંક અને મજબૂત રીતે સ્થાનિક O2p ઓર્બિટલ્સ સાથે દર્શાવે છે, જે સૂચવે છે કે છિદ્રો ઊંડે સ્થાનીકૃત છે. આ લાક્ષણિકતાઓ β-Ga2O3 માં પી-ટાઈપ ડોપિંગ હાંસલ કરવા માટે એક મોટો પડકાર છે. જો પી-ટાઈપ ડોપિંગ પ્રાપ્ત કરી શકાય, તો પણ છિદ્ર μ ખૂબ જ નીચા સ્તરે રહે છે. 2. બલ્ક ગેલિયમ ઓક્સાઇડ સિંગલ ક્રિસ્ટલની વૃદ્ધિ અત્યાર સુધી, β-Ga2O3 બલ્ક સિંગલ ક્રિસ્ટલ સબસ્ટ્રેટની વૃદ્ધિ પદ્ધતિ મુખ્યત્વે ક્રિસ્ટલ ખેંચવાની પદ્ધતિ છે, જેમ કે Czochralski (CZ), ધાર-વ્યાખ્યાયિત પાતળી ફિલ્મ ફીડિંગ પદ્ધતિ (એજ-ડિફાઈન્ડ ફિલ્મ-ફેડ) , EFG), બ્રિજમેન (આરટીકલ અથવા હોરીઝોન્ટલ બ્રિજમેન, એચબી અથવા વીબી) અને ફ્લોટિંગ ઝોન (ફ્લોટિંગ ઝોન, એફઝેડ) તકનીક. તમામ પદ્ધતિઓમાં, Czochralski અને ધાર-વ્યાખ્યાયિત પાતળી-ફિલ્મ ફીડિંગ પદ્ધતિઓ ભવિષ્યમાં β-Ga 2O3 વેફર્સના મોટા પાયે ઉત્પાદન માટે સૌથી આશાસ્પદ માર્ગો બનવાની અપેક્ષા છે, કારણ કે તે એકસાથે મોટી માત્રા અને ઓછી ખામીની ઘનતા પ્રાપ્ત કરી શકે છે. અત્યાર સુધી, જાપાનની નોવેલ ક્રિસ્ટલ ટેક્નોલોજીએ મેલ્ટ ગ્રોથ β-Ga2O3 માટે કોમર્શિયલ મેટ્રિક્સનો અનુભવ કર્યો છે.

2.1 Czochralski પદ્ધતિ
Czochralski પદ્ધતિનો સિદ્ધાંત એ છે કે બીજના સ્તરને પ્રથમ આવરી લેવામાં આવે છે, અને પછી સિંગલ ક્રિસ્ટલ ધીમે ધીમે ઓગળવામાં આવે છે. Czochralski પદ્ધતિ તેની કિંમત-અસરકારકતા, મોટા કદની ક્ષમતાઓ અને ઉચ્ચ ક્રિસ્ટલ ગુણવત્તા સબસ્ટ્રેટ વૃદ્ધિને કારણે β-Ga2O3 માટે વધુને વધુ મહત્વપૂર્ણ છે. જો કે, Ga2O3 ની ઉચ્ચ-તાપમાન વૃદ્ધિ દરમિયાન થર્મલ સ્ટ્રેસને કારણે, સિંગલ ક્રિસ્ટલ્સનું બાષ્પીભવન, ઓગળવાની સામગ્રી અને Ir ક્રુસિબલને નુકસાન થશે. આ Ga2O3 માં નીચા n-ટાઈપ ડોપિંગ હાંસલ કરવામાં મુશ્કેલીનું પરિણામ છે. વૃદ્ધિના વાતાવરણમાં યોગ્ય માત્રામાં ઓક્સિજનનો પરિચય એ આ સમસ્યાને ઉકેલવાનો એક માર્ગ છે. ઑપ્ટિમાઇઝેશન દ્વારા, Czochralski પદ્ધતિ દ્વારા 10^16~10^19 cm-3 ની મફત ઇલેક્ટ્રોન સાંદ્રતા શ્રેણી અને 160 cm2/Vs ની મહત્તમ ઇલેક્ટ્રોન ઘનતા સાથે ઉચ્ચ ગુણવત્તાની 2-ઇંચ β-Ga2O3 સફળતાપૂર્વક ઉગાડવામાં આવી છે.

આકૃતિ 2 Czochralski પદ્ધતિ દ્વારા ઉગાડવામાં આવેલ β-Ga2O3 નું સિંગલ ક્રિસ્ટલ

2.2 એજ-વ્યાખ્યાયિત ફિલ્મ ફીડિંગ પદ્ધતિ
ધાર-વ્યાખ્યાયિત પાતળી ફિલ્મ ફીડિંગ પદ્ધતિને મોટા વિસ્તારની Ga2O3 સિંગલ ક્રિસ્ટલ સામગ્રીના વ્યાવસાયિક ઉત્પાદન માટે અગ્રણી દાવેદાર માનવામાં આવે છે. આ પદ્ધતિનો સિદ્ધાંત એ છે કે મેલ્ટને કેશિલરી સ્લિટ સાથે બીબામાં મૂકવો, અને કેશિલરી ક્રિયા દ્વારા ઓગળે છે. ટોચ પર, એક પાતળી ફિલ્મ બને છે અને બધી દિશામાં ફેલાય છે જ્યારે બીજ સ્ફટિક દ્વારા સ્ફટિકીકરણ માટે પ્રેરિત થાય છે. વધુમાં, મોલ્ડ ટોપની કિનારીઓ ફ્લેક્સ, ટ્યુબ અથવા કોઈપણ ઇચ્છિત ભૂમિતિમાં સ્ફટિકો ઉત્પન્ન કરવા માટે નિયંત્રિત કરી શકાય છે. Ga2O3 ની ધાર-વ્યાખ્યાયિત પાતળી ફિલ્મ ફીડિંગ પદ્ધતિ ઝડપી વૃદ્ધિ દર અને મોટા વ્યાસ પ્રદાન કરે છે. આકૃતિ 3 β-Ga2O3 સિંગલ ક્રિસ્ટલનું આકૃતિ દર્શાવે છે. વધુમાં, સાઈઝ સ્કેલના સંદર્ભમાં, ઉત્તમ પારદર્શિતા અને એકરૂપતા સાથે 2-ઇંચ અને 4-ઇંચ β-Ga2O3 સબસ્ટ્રેટનું વ્યાપારીકરણ કરવામાં આવ્યું છે, જ્યારે 6-ઇંચ સબસ્ટ્રેટને ભવિષ્યના વ્યાપારીકરણ માટે સંશોધનમાં દર્શાવવામાં આવ્યું છે. તાજેતરમાં, મોટા ગોળાકાર સિંગલ-ક્રિસ્ટલ બલ્ક સામગ્રીઓ (−201) ઓરિએન્ટેશન સાથે પણ ઉપલબ્ધ બની છે. વધુમાં, β-Ga2O3 ધાર-વ્યાખ્યાયિત ફિલ્મ ફીડિંગ પદ્ધતિ પણ સંક્રમણ ધાતુ તત્વોના ડોપિંગને પ્રોત્સાહન આપે છે, જેનાથી Ga2O3નું સંશોધન અને તૈયારી શક્ય બને છે.

આકૃતિ 3 β-Ga2O3 સિંગલ ક્રિસ્ટલ ધાર-વ્યાખ્યાયિત ફિલ્મ ફીડિંગ પદ્ધતિ દ્વારા ઉગાડવામાં આવે છે

2.3 બ્રિજમેન પદ્ધતિ
બ્રિજમેન પદ્ધતિમાં, ક્રુસિબલમાં ક્રિસ્ટલ બને છે જે ધીમે ધીમે તાપમાનના ઢાળ દ્વારા ખસેડવામાં આવે છે. પ્રક્રિયા આડી અથવા ઊભી દિશામાં કરી શકાય છે, સામાન્ય રીતે ફરતી ક્રુસિબલનો ઉપયોગ કરીને. તે નોંધવું યોગ્ય છે કે આ પદ્ધતિ સ્ફટિકના બીજનો ઉપયોગ કરી શકે છે અથવા ન પણ કરી શકે છે. પરંપરાગત બ્રિજમેન ઓપરેટરોમાં ગલન અને સ્ફટિક વૃદ્ધિ પ્રક્રિયાઓનું પ્રત્યક્ષ વિઝ્યુલાઇઝેશન નથી અને ઉચ્ચ ચોકસાઇ સાથે તાપમાનને નિયંત્રિત કરવું આવશ્યક છે. વર્ટિકલ બ્રિજમેન પદ્ધતિનો ઉપયોગ મુખ્યત્વે β-Ga2O3 ની વૃદ્ધિ માટે થાય છે અને તે હવાના વાતાવરણમાં વૃદ્ધિ કરવાની ક્ષમતા માટે જાણીતી છે. વર્ટિકલ બ્રિજમેન પદ્ધતિની વૃદ્ધિ પ્રક્રિયા દરમિયાન, મેલ્ટ અને ક્રુસિબલના કુલ સામૂહિક નુકશાનને 1% ની નીચે રાખવામાં આવે છે, જે ન્યૂનતમ નુકશાન સાથે મોટા β-Ga2O3 સિંગલ ક્રિસ્ટલના વિકાસને સક્ષમ કરે છે.

આકૃતિ 4 બ્રિજમેન પદ્ધતિ દ્વારા ઉગાડવામાં આવેલ β-Ga2O3 નું સિંગલ ક્રિસ્ટલ

2.4 ફ્લોટિંગ ઝોન પદ્ધતિ
ફ્લોટિંગ ઝોન પદ્ધતિ ક્રુસિબલ સામગ્રી દ્વારા ક્રિસ્ટલ દૂષણની સમસ્યાને હલ કરે છે અને ઉચ્ચ તાપમાન પ્રતિરોધક ઇન્ફ્રારેડ ક્રુસિબલ્સ સાથે સંકળાયેલ ઊંચા ખર્ચને ઘટાડે છે. આ વૃદ્ધિ પ્રક્રિયા દરમિયાન, ઓગળેલાને RF સ્ત્રોતને બદલે દીવા દ્વારા ગરમ કરી શકાય છે, આમ વૃદ્ધિના સાધનો માટેની જરૂરિયાતોને સરળ બનાવે છે. ફ્લોટિંગ ઝોન પદ્ધતિ દ્વારા ઉગાડવામાં આવેલ β-Ga2O3 ના આકાર અને સ્ફટિક ગુણવત્તા હજી શ્રેષ્ઠ નથી, તેમ છતાં, આ પદ્ધતિ ઉચ્ચ-શુદ્ધતા β-Ga2O3ને બજેટ-ફ્રેંડલી સિંગલ ક્રિસ્ટલ્સમાં વિકસાવવા માટે એક આશાસ્પદ પદ્ધતિ ખોલે છે.

આકૃતિ 5 β-Ga2O3 સિંગલ ક્રિસ્ટલ ફ્લોટિંગ ઝોન પદ્ધતિ દ્વારા ઉગાડવામાં આવે છે.