गैलियम ऑक्साइड एकल क्रिस्टल और एपिटैक्सियल विकास प्रौद्योगिकी

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) और गैलियम नाइट्राइड (GaN) द्वारा दर्शाए गए वाइड बैंडगैप (WBG) अर्धचालकों ने व्यापक ध्यान आकर्षित किया है। लोगों को इलेक्ट्रिक वाहनों और पावर ग्रिड में सिलिकॉन कार्बाइड के अनुप्रयोग की संभावनाओं के साथ-साथ फास्ट चार्जिंग में गैलियम नाइट्राइड के अनुप्रयोग की संभावनाओं के बारे में बहुत उम्मीदें हैं। हाल के वर्षों में, Ga2O3, AlN और हीरे की सामग्रियों पर शोध ने महत्वपूर्ण प्रगति की है, जिससे अल्ट्रा-वाइड बैंडगैप सेमीकंडक्टर सामग्री ध्यान का केंद्र बन गई है। उनमें से, गैलियम ऑक्साइड (Ga2O3) एक उभरती हुई अल्ट्रा-वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर सामग्री है जिसमें 4.8 eV का बैंड गैप, लगभग 8 MV सेमी-1 की सैद्धांतिक महत्वपूर्ण ब्रेकडाउन फ़ील्ड ताकत, लगभग 2E7cm s-1 की संतृप्ति वेग है। और 3000 का उच्च बालिगा गुणवत्ता कारक, उच्च वोल्टेज और उच्च आवृत्ति पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में व्यापक ध्यान आकर्षित कर रहा है।

1. गैलियम ऑक्साइड सामग्री विशेषताएँ

Ga2O3 में एक बड़ा बैंड गैप (4.8 eV) है, जिससे उच्च वोल्टेज झेलने और उच्च शक्ति क्षमताओं दोनों को प्राप्त करने की उम्मीद है, और अपेक्षाकृत कम प्रतिरोध पर उच्च वोल्टेज अनुकूलनशीलता की क्षमता हो सकती है, जिससे वे वर्तमान अनुसंधान का ध्यान केंद्रित कर सकते हैं। इसके अलावा, Ga2O3 में न केवल उत्कृष्ट भौतिक गुण हैं, बल्कि यह विभिन्न प्रकार की आसानी से समायोज्य एन-प्रकार की डोपिंग प्रौद्योगिकियों के साथ-साथ कम लागत वाली सब्सट्रेट वृद्धि और एपिटेक्सी प्रौद्योगिकियों को भी प्रदान करता है। अब तक, Ga2O3 में पांच अलग-अलग क्रिस्टल चरणों की खोज की गई है, जिनमें कोरंडम (α), मोनोक्लिनिक (β), दोषपूर्ण स्पिनल (γ), क्यूबिक (δ) और ऑर्थोरोम्बिक (ɛ) चरण शामिल हैं। थर्मोडायनामिक स्थिरताएं, क्रम में, γ, δ, α, ɛ, और β हैं। यह ध्यान देने योग्य है कि मोनोक्लिनिक β-Ga2O3 सबसे अधिक स्थिर है, खासकर उच्च तापमान पर, जबकि अन्य चरण कमरे के तापमान से ऊपर मेटास्टेबल होते हैं और विशिष्ट तापीय परिस्थितियों में β चरण में परिवर्तित हो जाते हैं। इसलिए, हाल के वर्षों में पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में β-Ga2O3-आधारित उपकरणों का विकास एक प्रमुख फोकस बन गया है।

तालिका 1 कुछ अर्धचालक सामग्री मापदंडों की तुलना

मोनोक्लिनिकβ-Ga2O3 की क्रिस्टल संरचना तालिका 1 में दिखाई गई है। इसके जाली मापदंडों में a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, और β = 103.8° शामिल हैं। यूनिट सेल में मुड़े हुए टेट्राहेड्रल समन्वय के साथ Ga(I) परमाणु और अष्टफलकीय समन्वय के साथ Ga(II) परमाणु होते हैं। "ट्विस्टेड क्यूबिक" सरणी में ऑक्सीजन परमाणुओं की तीन अलग-अलग व्यवस्थाएं हैं, जिनमें दो त्रिकोणीय रूप से समन्वित O(I) और O(II) परमाणु और एक टेट्राहेड्रली समन्वित O(III) परमाणु शामिल हैं। इन दो प्रकार के परमाणु समन्वय के संयोजन से भौतिकी, रासायनिक संक्षारण, प्रकाशिकी और इलेक्ट्रॉनिक्स में विशेष गुणों के साथ β-Ga2O3 की अनिसोट्रॉपी होती है।

चित्र 1 मोनोक्लिनिक β-Ga2O3 क्रिस्टल का योजनाबद्ध संरचनात्मक आरेख

ऊर्जा बैंड सिद्धांत के परिप्रेक्ष्य से, β-Ga2O3 के चालन बैंड का न्यूनतम मान Ga परमाणु की 4s0 संकर कक्षा के अनुरूप ऊर्जा अवस्था से प्राप्त होता है। चालन बैंड के न्यूनतम मान और निर्वात ऊर्जा स्तर (इलेक्ट्रॉन आत्मीयता ऊर्जा) के बीच ऊर्जा अंतर को मापा जाता है। 4 eV है. β-Ga2O3 का प्रभावी इलेक्ट्रॉन द्रव्यमान 0.28–0.33 me और इसकी अनुकूल इलेक्ट्रॉनिक चालकता मापा जाता है। हालाँकि, वैलेंस बैंड अधिकतम बहुत कम वक्रता और दृढ़ता से स्थानीयकृत O2p ऑर्बिटल्स के साथ एक उथले एक वक्र को प्रदर्शित करता है, जिससे पता चलता है कि छेद गहराई से स्थानीयकृत हैं। ये विशेषताएँ β-Ga2O3 में पी-टाइप डोपिंग प्राप्त करने के लिए एक बड़ी चुनौती पेश करती हैं। भले ही पी-प्रकार की डोपिंग हासिल की जा सके, छेद μ बहुत निम्न स्तर पर रहता है। 2. बल्क गैलियम ऑक्साइड सिंगल क्रिस्टल की वृद्धि अब तक, β-Ga2O3 बल्क सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेट की वृद्धि विधि मुख्य रूप से क्रिस्टल खींचने की विधि है, जैसे कि Czochralski (CZ), किनारे-परिभाषित पतली फिल्म फीडिंग विधि (एज-डिफाइंड फिल्म-फेड) , ईएफजी), ब्रिजमैन (आर्टिकल या हॉरिजॉन्टल ब्रिजमैन, एचबी या वीबी) और फ्लोटिंग जोन (फ्लोटिंग जोन, एफजेड) तकनीक। सभी तरीकों में से, Czochralski और किनारे-परिभाषित पतली-फिल्म फीडिंग विधियां भविष्य में β-Ga 2O3 वेफर्स के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए सबसे आशाजनक रास्ते होने की उम्मीद है, क्योंकि वे एक साथ बड़ी मात्रा और कम दोष घनत्व प्राप्त कर सकते हैं। अब तक, जापान की नोवेल क्रिस्टल टेक्नोलॉजी ने पिघल वृद्धि β-Ga2O3 के लिए एक वाणिज्यिक मैट्रिक्स का एहसास किया है।

1.1 कज़ोक्राल्स्की विधि

Czochralski विधि का सिद्धांत यह है कि पहले बीज की परत को ढक दिया जाता है, और फिर एकल क्रिस्टल को धीरे-धीरे पिघल से बाहर निकाला जाता है। Czochralski विधि अपनी लागत-प्रभावशीलता, बड़े आकार की क्षमताओं और उच्च क्रिस्टल गुणवत्ता वाले सब्सट्रेट विकास के कारण β-Ga2O3 के लिए तेजी से महत्वपूर्ण होती जा रही है। हालाँकि, Ga2O3 की उच्च तापमान वृद्धि के दौरान थर्मल तनाव के कारण, एकल क्रिस्टल का वाष्पीकरण, पिघली हुई सामग्री और इर क्रूसिबल को नुकसान होगा। यह Ga2O3 में निम्न एन-प्रकार डोपिंग प्राप्त करने में कठिनाई का परिणाम है। विकास के वातावरण में उचित मात्रा में ऑक्सीजन लाना इस समस्या को हल करने का एक तरीका है। अनुकूलन के माध्यम से, 10^16~10^19 सेमी-3 की मुक्त इलेक्ट्रॉन सांद्रता सीमा और 160 सेमी2/Vs की अधिकतम इलेक्ट्रॉन घनत्व के साथ उच्च गुणवत्ता वाले 2-इंच β-Ga2O3 को Czochralski विधि द्वारा सफलतापूर्वक विकसित किया गया है।

चित्र 2 Czochralski विधि द्वारा उगाया गया β-Ga2O3 का एकल क्रिस्टल

1.2 एज-परिभाषित फिल्म फीडिंग विधि

किनारे-परिभाषित पतली फिल्म फीडिंग विधि को बड़े क्षेत्र वाले Ga2O3 एकल क्रिस्टल सामग्री के व्यावसायिक उत्पादन के लिए अग्रणी दावेदार माना जाता है। इस विधि का सिद्धांत पिघले हुए पदार्थ को एक केशिका भट्ठा के साथ एक सांचे में रखना है, और पिघला हुआ केशिका क्रिया के माध्यम से सांचे में ऊपर उठता है। शीर्ष पर, एक पतली फिल्म बनती है और बीज क्रिस्टल द्वारा क्रिस्टलीकृत होने के लिए प्रेरित करते हुए सभी दिशाओं में फैलती है। इसके अतिरिक्त, मोल्ड टॉप के किनारों को फ्लेक्स, ट्यूब या किसी वांछित ज्यामिति में क्रिस्टल बनाने के लिए नियंत्रित किया जा सकता है। Ga2O3 की किनारे-परिभाषित पतली फिल्म फीडिंग विधि तेजी से विकास दर और बड़े व्यास प्रदान करती है। चित्र 3 एक β-Ga2O3 एकल क्रिस्टल का आरेख दिखाता है। इसके अलावा, आकार के पैमाने के संदर्भ में, उत्कृष्ट पारदर्शिता और एकरूपता के साथ 2-इंच और 4-इंच β-Ga2O3 सब्सट्रेट का व्यावसायीकरण किया गया है, जबकि 6-इंच सब्सट्रेट को भविष्य के व्यावसायीकरण के लिए अनुसंधान में प्रदर्शित किया गया है। हाल ही में, (−201) ओरिएंटेशन के साथ बड़ी गोलाकार एकल-क्रिस्टल थोक सामग्री भी उपलब्ध हो गई है। इसके अलावा, β-Ga2O3 एज-डिफाइंड फिल्म फीडिंग विधि संक्रमण धातु तत्वों के डोपिंग को भी बढ़ावा देती है, जिससे Ga2O3 का अनुसंधान और तैयारी संभव हो जाती है।

चित्र 3 β-Ga2O3 एकल क्रिस्टल को किनारे-परिभाषित फिल्म फीडिंग विधि द्वारा उगाया गया है

1.3 ब्रिजमैन विधि

ब्रिजमैन विधि में, क्रिस्टल एक क्रूसिबल में बनते हैं जिसे धीरे-धीरे तापमान ढाल के माध्यम से ले जाया जाता है। प्रक्रिया को क्षैतिज या ऊर्ध्वाधर अभिविन्यास में किया जा सकता है, आमतौर पर एक घूर्णन क्रूसिबल का उपयोग करके। यह ध्यान देने योग्य है कि इस विधि में क्रिस्टल बीजों का उपयोग हो भी सकता है और नहीं भी। पारंपरिक ब्रिजमैन ऑपरेटरों में पिघलने और क्रिस्टल विकास प्रक्रियाओं के प्रत्यक्ष दृश्य का अभाव होता है और उन्हें उच्च परिशुद्धता के साथ तापमान को नियंत्रित करना पड़ता है। वर्टिकल ब्रिजमैन विधि का उपयोग मुख्य रूप से β-Ga2O3 की वृद्धि के लिए किया जाता है और इसे वायु वातावरण में बढ़ने की क्षमता के लिए जाना जाता है। ऊर्ध्वाधर ब्रिजमैन विधि विकास प्रक्रिया के दौरान, पिघल और क्रूसिबल की कुल द्रव्यमान हानि को 1% से नीचे रखा जाता है, जिससे न्यूनतम हानि के साथ बड़े β-Ga2O3 एकल क्रिस्टल की वृद्धि संभव हो जाती है।

चित्र 4 ब्रिजमैन विधि द्वारा उगाया गया β-Ga2O3 का एकल क्रिस्टल

1.4 फ्लोटिंग ज़ोन विधि

फ्लोटिंग ज़ोन विधि क्रूसिबल सामग्रियों द्वारा क्रिस्टल संदूषण की समस्या को हल करती है और उच्च तापमान प्रतिरोधी अवरक्त क्रूसिबल से जुड़ी उच्च लागत को कम करती है। इस विकास प्रक्रिया के दौरान, पिघल को आरएफ स्रोत के बजाय लैंप द्वारा गर्म किया जा सकता है, इस प्रकार विकास उपकरण की आवश्यकताएं सरल हो जाती हैं। हालाँकि फ्लोटिंग ज़ोन विधि द्वारा उगाए गए β-Ga2O3 का आकार और क्रिस्टल गुणवत्ता अभी तक इष्टतम नहीं है, यह विधि उच्च शुद्धता वाले β-Ga2O3 को बजट-अनुकूल एकल क्रिस्टल में विकसित करने के लिए एक आशाजनक तरीका खोलती है।

चित्र 5 β-Ga2O3 एकल क्रिस्टल फ्लोटिंग ज़ोन विधि द्वारा उगाया गया।