ഗാലിയം ഓക്സൈഡ് സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റൽ, എപ്പിറ്റാക്സിയൽ വളർച്ചാ സാങ്കേതികവിദ്യ

സിലിക്കൺ കാർബൈഡും (SiC), ഗാലിയം നൈട്രൈഡും (GaN) പ്രതിനിധീകരിക്കുന്ന വൈഡ് ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ് (WBG) അർദ്ധചാലകങ്ങൾ വ്യാപകമായ ശ്രദ്ധ നേടിയിട്ടുണ്ട്. ഇലക്ട്രിക് വാഹനങ്ങളിലും പവർ ഗ്രിഡുകളിലും സിലിക്കൺ കാർബൈഡിൻ്റെ പ്രയോഗ സാധ്യതകളും ഫാസ്റ്റ് ചാർജിംഗിൽ ഗാലിയം നൈട്രൈഡിൻ്റെ പ്രയോഗ സാധ്യതകളും ആളുകൾക്ക് ഉയർന്ന പ്രതീക്ഷകളാണ്. സമീപ വർഷങ്ങളിൽ, Ga2O3, AlN, ഡയമണ്ട് മെറ്റീരിയലുകൾ എന്നിവയെക്കുറിച്ചുള്ള ഗവേഷണം ഗണ്യമായ പുരോഗതി കൈവരിച്ചു, ഇത് അൾട്രാ-വൈഡ് ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ് അർദ്ധചാലക വസ്തുക്കളെ ശ്രദ്ധാകേന്ദ്രമാക്കി. അവയിൽ, ഗാലിയം ഓക്സൈഡ് (Ga2O3) 4.8 eV ബാൻഡ് വിടവുള്ള ഉയർന്നുവരുന്ന അൾട്രാ-വൈഡ്-ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ് അർദ്ധചാലക മെറ്റീരിയലാണ്, ഏകദേശം 8 MV സെ. 3000 എന്ന ഉയർന്ന ബാലിഗ ഗുണമേന്മയുള്ള ഘടകം, വ്യാപകമായ ശ്രദ്ധ നേടുന്നു ഉയർന്ന വോൾട്ടേജിൻ്റെയും ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി പവർ ഇലക്ട്രോണിക്സിൻ്റെയും ഫീൽഡ്.

1. ഗാലിയം ഓക്സൈഡ് മെറ്റീരിയൽ സവിശേഷതകൾ

Ga2O3 ന് ഒരു വലിയ ബാൻഡ് ഗ്യാപ്പ് ഉണ്ട് (4.8 eV), ഉയർന്ന പ്രതിരോധശേഷിയുള്ള വോൾട്ടേജും ഉയർന്ന പവർ കഴിവുകളും കൈവരിക്കുമെന്ന് പ്രതീക്ഷിക്കുന്നു, കൂടാതെ താരതമ്യേന കുറഞ്ഞ പ്രതിരോധത്തിൽ ഉയർന്ന വോൾട്ടേജ് അഡാപ്റ്റബിലിറ്റിക്ക് സാധ്യതയുണ്ട്, ഇത് അവരെ നിലവിലെ ഗവേഷണത്തിൻ്റെ കേന്ദ്രമാക്കി മാറ്റുന്നു. കൂടാതെ, Ga2O3 ന് മികച്ച മെറ്റീരിയൽ പ്രോപ്പർട്ടികൾ മാത്രമല്ല, എളുപ്പത്തിൽ ക്രമീകരിക്കാവുന്ന വൈവിധ്യമാർന്ന n-ടൈപ്പ് ഡോപ്പിംഗ് സാങ്കേതികവിദ്യകളും അതുപോലെ തന്നെ കുറഞ്ഞ വിലയുള്ള അടിവസ്ത്ര വളർച്ചയും എപ്പിറ്റാക്സി സാങ്കേതികവിദ്യകളും നൽകുന്നു. ഇതുവരെ, Ga2O3 ൽ കൊറണ്ടം (α), മോണോക്ലിനിക് (β), ഡിഫെക്റ്റീവ് സ്പൈനൽ (γ), ക്യൂബിക് (δ), ഓർത്തോർഹോംബിക് (ɛ) ഘട്ടങ്ങൾ ഉൾപ്പെടെ അഞ്ച് വ്യത്യസ്ത ക്രിസ്റ്റൽ ഘട്ടങ്ങൾ കണ്ടെത്തിയിട്ടുണ്ട്. തെർമോഡൈനാമിക് സ്ഥിരതകൾ ക്രമത്തിൽ, γ, δ, α, ɛ, β എന്നിവയാണ്. മോണോക്ലിനിക് β-Ga2O3 ഏറ്റവും സ്ഥിരതയുള്ളതാണ്, പ്രത്യേകിച്ച് ഉയർന്ന താപനിലയിൽ, മറ്റ് ഘട്ടങ്ങൾ മുറിയിലെ താപനിലയ്ക്ക് മുകളിൽ മെറ്റാസ്റ്റേബിൾ ആകുകയും പ്രത്യേക താപ സാഹചര്യങ്ങളിൽ β ഘട്ടത്തിലേക്ക് മാറുകയും ചെയ്യുന്നു എന്നത് ശ്രദ്ധിക്കേണ്ടതാണ്. അതിനാൽ, സമീപ വർഷങ്ങളിൽ പവർ ഇലക്ട്രോണിക്സ് മേഖലയിൽ β-Ga2O3 അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള ഉപകരണങ്ങളുടെ വികസനം ഒരു പ്രധാന ശ്രദ്ധാകേന്ദ്രമായി മാറിയിരിക്കുന്നു.

പട്ടിക 1 ചില അർദ്ധചാലക മെറ്റീരിയൽ പരാമീറ്ററുകളുടെ താരതമ്യം

മോണോക്ലിനിക്β-Ga2O3 ൻ്റെ ക്രിസ്റ്റൽ ഘടന പട്ടിക 1-ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നു. അതിൻ്റെ ലാറ്റിസ് പാരാമീറ്ററുകളിൽ a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, β = 103.8 ° എന്നിവ ഉൾപ്പെടുന്നു. വളച്ചൊടിച്ച ടെട്രാഹെഡ്രൽ കോർഡിനേഷനുള്ള Ga(I) ആറ്റങ്ങളും ഒക്ടാഹെഡ്രൽ ഏകോപനമുള്ള Ga(II) ആറ്റങ്ങളും യൂണിറ്റ് സെല്ലിൽ അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു. രണ്ട് ത്രികോണാകൃതിയിൽ ഏകോപിപ്പിച്ച O(I), O(II) ആറ്റങ്ങളും ഒരു ടെട്രാഹെഡ്രലി കോർഡിനേറ്റഡ് O(III) ആറ്റവും ഉൾപ്പെടെ മൂന്ന് വ്യത്യസ്ത ഓക്സിജൻ ആറ്റങ്ങൾ "വളച്ചൊടിച്ച ക്യൂബിക്" ശ്രേണിയിൽ ഉണ്ട്. ഈ രണ്ട് തരം ആറ്റോമിക് ഏകോപനത്തിൻ്റെ സംയോജനം ഫിസിക്സ്, കെമിക്കൽ കോറോഷൻ, ഒപ്റ്റിക്സ്, ഇലക്ട്രോണിക്സ് എന്നിവയിൽ പ്രത്യേക ഗുണങ്ങളുള്ള β-Ga2O3 ൻ്റെ അനിസോട്രോപ്പിയിലേക്ക് നയിക്കുന്നു.

ചിത്രം 1 മോണോക്ലിനിക് β-Ga2O3 ക്രിസ്റ്റലിൻ്റെ സ്കീമാറ്റിക് സ്ട്രക്ചറൽ ഡയഗ്രം

എനർജി ബാൻഡ് സിദ്ധാന്തത്തിൻ്റെ വീക്ഷണകോണിൽ നിന്ന്, β-Ga2O3 ൻ്റെ ചാലക ബാൻഡിൻ്റെ ഏറ്റവും കുറഞ്ഞ മൂല്യം, Ga ആറ്റത്തിൻ്റെ 4s0 ഹൈബ്രിഡ് പരിക്രമണപഥവുമായി ബന്ധപ്പെട്ട ഊർജ്ജാവസ്ഥയിൽ നിന്നാണ്. ചാലക ബാൻഡിൻ്റെ ഏറ്റവും കുറഞ്ഞ മൂല്യവും വാക്വം എനർജി ലെവലും (ഇലക്ട്രോൺ അഫിനിറ്റി എനർജി) തമ്മിലുള്ള ഊർജ്ജ വ്യത്യാസം അളക്കുന്നു. 4 eV ആണ്. β-Ga2O3 ൻ്റെ ഫലപ്രദമായ ഇലക്ട്രോൺ പിണ്ഡം 0.28-0.33 me എന്ന നിലയിലും അതിൻ്റെ അനുകൂല ഇലക്ട്രോണിക് ചാലകതയിലും അളക്കുന്നു. എന്നിരുന്നാലും, വാലൻസ് ബാൻഡ് പരമാവധി വളരെ താഴ്ന്ന വക്രതയും ശക്തമായി പ്രാദേശികവൽക്കരിച്ച O2p ഓർബിറ്റലുകളുമുള്ള ഒരു ആഴം കുറഞ്ഞ Ek കർവ് പ്രദർശിപ്പിക്കുന്നു, ഇത് ദ്വാരങ്ങൾ ആഴത്തിൽ പ്രാദേശികവൽക്കരിച്ചതാണെന്ന് സൂചിപ്പിക്കുന്നു. β-Ga2O3-ൽ പി-ടൈപ്പ് ഡോപ്പിംഗ് നേടുന്നതിന് ഈ സ്വഭാവസവിശേഷതകൾ വലിയ വെല്ലുവിളി ഉയർത്തുന്നു. പി-ടൈപ്പ് ഡോപ്പിംഗ് നേടാൻ കഴിയുമെങ്കിലും, ദ്വാരം μ വളരെ താഴ്ന്ന നിലയിലാണ്. 2. ബൾക്ക് ഗാലിയം ഓക്സൈഡ് സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റലിൻ്റെ വളർച്ച ഇതുവരെ, β-Ga2O3 ബൾക്ക് സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റൽ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിൻ്റെ വളർച്ചാ രീതി പ്രധാനമായും ക്രിസ്റ്റൽ വലിംഗ് രീതിയാണ്, ഉദാഹരണത്തിന്, Czochralski (CZ), എഡ്ജ്-ഡിഫൈൻഡ് ചെയ്ത നേർത്ത ഫിലിം ഫീഡിംഗ് രീതി (Edge -Defined film-fed , EFG), ബ്രിഡ്‌മാൻ (ആർട്ടിക്കൽ അല്ലെങ്കിൽ ഹോറിസോണ്ടൽ ബ്രിഡ്‌മാൻ, എച്ച്ബി അല്ലെങ്കിൽ VB), ഫ്ലോട്ടിംഗ് സോൺ (ഫ്ലോട്ടിംഗ് സോൺ, FZ) സാങ്കേതികവിദ്യ. എല്ലാ രീതികളിലും, Czochralski ഉം എഡ്ജ്-ഡിഫൈൻഡ് ചെയ്ത നേർത്ത-ഫിലിം ഫീഡിംഗ് രീതികളും ഭാവിയിൽ β-Ga 2O3 വേഫറുകളുടെ വൻതോതിലുള്ള ഉൽപ്പാദനത്തിനുള്ള ഏറ്റവും മികച്ച വഴികളാകുമെന്ന് പ്രതീക്ഷിക്കുന്നു, കാരണം അവയ്ക്ക് ഒരേസമയം വലിയ അളവുകളും കുറഞ്ഞ വൈകല്യ സാന്ദ്രതയും നേടാൻ കഴിയും. ഇതുവരെ, ജപ്പാനിലെ നോവൽ ക്രിസ്റ്റൽ ടെക്നോളജി β-Ga2O3 എന്ന ഉരുകൽ വളർച്ചയ്ക്കുള്ള ഒരു വാണിജ്യ മാട്രിക്സ് തിരിച്ചറിഞ്ഞിട്ടുണ്ട്.

1.1 Czochralski രീതി

Czochralski രീതിയുടെ തത്വം ആദ്യം വിത്ത് പാളി മൂടിയിരിക്കുന്നു, തുടർന്ന് ഒറ്റ ക്രിസ്റ്റൽ ഉരുകിയതിൽ നിന്ന് പതുക്കെ പുറത്തെടുക്കുന്നു. β-Ga2O3 ന് Czochralski രീതി കൂടുതൽ പ്രാധാന്യമർഹിക്കുന്നു, കാരണം അതിൻ്റെ ചെലവ്-ഫലപ്രാപ്തി, വലിയ വലിപ്പത്തിലുള്ള കഴിവുകൾ, ഉയർന്ന ക്രിസ്റ്റൽ ഗുണമേന്മയുള്ള അടിവസ്ത്ര വളർച്ച എന്നിവ കാരണം. എന്നിരുന്നാലും, Ga2O3 ൻ്റെ ഉയർന്ന താപനില വളർച്ചയുടെ സമയത്ത് താപ സമ്മർദ്ദം മൂലം, ഒറ്റ പരലുകളുടെ ബാഷ്പീകരണം, ഉരുകിയ വസ്തുക്കൾ, Ir ക്രൂസിബിളിന് കേടുപാടുകൾ സംഭവിക്കും. Ga2O3-ൽ കുറഞ്ഞ n-ടൈപ്പ് ഡോപ്പിംഗ് നേടുന്നതിനുള്ള ബുദ്ധിമുട്ടിൻ്റെ ഫലമാണിത്. വളർച്ചാ അന്തരീക്ഷത്തിലേക്ക് ഉചിതമായ അളവിൽ ഓക്സിജൻ അവതരിപ്പിക്കുന്നത് ഈ പ്രശ്നം പരിഹരിക്കാനുള്ള ഒരു മാർഗമാണ്. ഒപ്റ്റിമൈസേഷനിലൂടെ, 10^16~10^19 cm-3 എന്ന സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോൺ കോൺസൺട്രേഷൻ ശ്രേണിയും 160 cm2/Vs പരമാവധി ഇലക്ട്രോൺ സാന്ദ്രതയുമുള്ള ഉയർന്ന നിലവാരമുള്ള 2-ഇഞ്ച് β-Ga2O3 Czochralski രീതിയിലൂടെ വിജയകരമായി വളർത്തി.

ചിത്രം 2 Czochralski രീതി ഉപയോഗിച്ച് വളർത്തിയ β-Ga2O3 ൻ്റെ ഏക ക്രിസ്റ്റൽ

1.2 എഡ്ജ്-ഡിഫൈൻഡ് ഫിലിം ഫീഡിംഗ് രീതി

വലിയ വിസ്തീർണ്ണമുള്ള Ga2O3 സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റൽ മെറ്റീരിയലുകളുടെ വാണിജ്യ ഉൽപ്പാദനത്തിനുള്ള മുൻനിര മത്സരാർത്ഥിയായി എഡ്ജ്-ഡിഫൈൻഡ് ചെയ്ത നേർത്ത ഫിലിം ഫീഡിംഗ് രീതി കണക്കാക്കപ്പെടുന്നു. ഈ രീതിയുടെ തത്വം, ഉരുകുന്നത് ഒരു കപ്പിലറി സ്ലിറ്റ് ഉള്ള ഒരു അച്ചിൽ സ്ഥാപിക്കുക എന്നതാണ്, കൂടാതെ ഉരുകുന്നത് കാപ്പിലറി പ്രവർത്തനത്തിലൂടെ പൂപ്പിലേക്ക് ഉയരുന്നു. മുകൾഭാഗത്ത്, ഒരു നേർത്ത ഫിലിം രൂപപ്പെടുകയും എല്ലാ ദിശകളിലേക്കും വ്യാപിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു, അതേസമയം വിത്ത് ക്രിസ്റ്റൽ ക്രിസ്റ്റലൈസ് ചെയ്യാൻ പ്രേരിപ്പിക്കുന്നു. കൂടാതെ, അടരുകളിലോ ട്യൂബുകളിലോ ആവശ്യമുള്ള ഏതെങ്കിലും ജ്യാമിതിയിലോ പരലുകൾ ഉത്പാദിപ്പിക്കാൻ പൂപ്പലിൻ്റെ അറ്റങ്ങൾ നിയന്ത്രിക്കാനാകും. Ga2O3 ൻ്റെ എഡ്ജ്-ഡിഫൈൻഡ് ചെയ്ത നേർത്ത ഫിലിം ഫീഡിംഗ് രീതി വേഗത്തിലുള്ള വളർച്ചാ നിരക്കും വലിയ വ്യാസവും നൽകുന്നു. ചിത്രം 3 ഒരു β-Ga2O3 സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റലിൻ്റെ ഒരു ഡയഗ്രം കാണിക്കുന്നു. കൂടാതെ, വലിപ്പത്തിൻ്റെ അടിസ്ഥാനത്തിൽ, 2-ഇഞ്ച്, 4-ഇഞ്ച് β-Ga2O3 സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ മികച്ച സുതാര്യതയും ഏകീകൃതതയും ഉള്ളവയാണ്, അതേസമയം 6 ഇഞ്ച് അടിവസ്ത്രം ഭാവിയിലെ വാണിജ്യവൽക്കരണത്തിനായുള്ള ഗവേഷണത്തിൽ പ്രദർശിപ്പിച്ചിരിക്കുന്നു. അടുത്തിടെ, വലിയ വൃത്താകൃതിയിലുള്ള സിംഗിൾ-ക്രിസ്റ്റൽ ബൾക്ക് മെറ്റീരിയലുകളും (−201) ഓറിയൻ്റേഷനിൽ ലഭ്യമാണ്. കൂടാതെ, β-Ga2O3 എഡ്ജ്-ഡിഫൈൻഡ് ഫിലിം ഫീഡിംഗ് രീതിയും ട്രാൻസിഷൻ ലോഹ മൂലകങ്ങളുടെ ഡോപ്പിംഗ് പ്രോത്സാഹിപ്പിക്കുന്നു, ഇത് Ga2O3 ൻ്റെ ഗവേഷണവും തയ്യാറാക്കലും സാധ്യമാക്കുന്നു.

ചിത്രം 3 β-Ga2O3 സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റൽ എഡ്ജ്-ഡിഫൈൻഡ് ഫിലിം ഫീഡിംഗ് രീതി ഉപയോഗിച്ച് വളർത്തുന്നു

1.3 ബ്രിഡ്ജ്മാൻ രീതി

ബ്രിഡ്ജ്മാൻ രീതിയിൽ, ക്രിസ്റ്റലുകൾ ഒരു ക്രൂസിബിളിൽ രൂപം കൊള്ളുന്നു, അത് ഒരു താപനില ഗ്രേഡിയൻ്റിലൂടെ ക്രമേണ നീങ്ങുന്നു. ഈ പ്രക്രിയ തിരശ്ചീനമായോ ലംബമായോ ഓറിയൻ്റേഷനിൽ നടത്താം, സാധാരണയായി കറങ്ങുന്ന ക്രൂസിബിൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു. ഈ രീതി ക്രിസ്റ്റൽ വിത്തുകൾ ഉപയോഗിക്കുകയോ ഉപയോഗിക്കാതിരിക്കുകയോ ചെയ്യാം എന്നത് ശ്രദ്ധിക്കേണ്ടതാണ്. പരമ്പരാഗത ബ്രിഡ്ജ്മാൻ ഓപ്പറേറ്റർമാർക്ക് ഉരുകൽ, ക്രിസ്റ്റൽ വളർച്ചാ പ്രക്രിയകളുടെ നേരിട്ടുള്ള ദൃശ്യവൽക്കരണം ഇല്ല, മാത്രമല്ല ഉയർന്ന കൃത്യതയോടെ താപനില നിയന്ത്രിക്കുകയും വേണം. ലംബമായ ബ്രിഡ്‌മാൻ രീതി പ്രധാനമായും β-Ga2O3 ൻ്റെ വളർച്ചയ്‌ക്കായി ഉപയോഗിക്കുന്നു, ഇത് വായു അന്തരീക്ഷത്തിൽ വളരാനുള്ള കഴിവിന് പേരുകേട്ടതാണ്. ലംബമായ ബ്രിഡ്ജ്മാൻ രീതി വളർച്ചാ പ്രക്രിയയിൽ, ഉരുകിയതിൻ്റെയും ക്രൂസിബിളിൻ്റെയും മൊത്തം പിണ്ഡം നഷ്ടം 1% ൽ താഴെയായി നിലനിർത്തുന്നു, ഇത് കുറഞ്ഞ നഷ്ടത്തോടെ വലിയ β-Ga2O3 ഒറ്റ പരലുകളുടെ വളർച്ച പ്രാപ്തമാക്കുന്നു.

ചിത്രം 4 ബ്രിഡ്ജ്‌മാൻ രീതി ഉപയോഗിച്ച് വളർത്തിയ β-Ga2O3 ൻ്റെ സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റൽ

1.4 ഫ്ലോട്ടിംഗ് സോൺ രീതി

ഫ്ലോട്ടിംഗ് സോൺ രീതി ക്രൂസിബിൾ മെറ്റീരിയലുകളാൽ ക്രിസ്റ്റൽ മലിനീകരണത്തിൻ്റെ പ്രശ്നം പരിഹരിക്കുകയും ഉയർന്ന താപനിലയെ പ്രതിരോധിക്കുന്ന ഇൻഫ്രാറെഡ് ക്രൂസിബിളുകളുമായി ബന്ധപ്പെട്ട ഉയർന്ന ചിലവ് കുറയ്ക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ഈ വളർച്ചാ പ്രക്രിയയിൽ, ഉരുകുന്നത് ഒരു RF സ്രോതസ്സിനേക്കാൾ ഒരു വിളക്ക് ഉപയോഗിച്ച് ചൂടാക്കാം, അങ്ങനെ വളർച്ചാ ഉപകരണങ്ങളുടെ ആവശ്യകതകൾ ലളിതമാക്കുന്നു. ഫ്ലോട്ടിംഗ് സോൺ രീതി ഉപയോഗിച്ച് വളർത്തിയെടുത്ത β-Ga2O3 ൻ്റെ ആകൃതിയും ക്രിസ്റ്റൽ ഗുണനിലവാരവും ഇതുവരെ ഒപ്റ്റിമൽ അല്ലെങ്കിലും, ഉയർന്ന പരിശുദ്ധിയുള്ള β-Ga2O3-നെ ബഡ്ജറ്റ്-ഫ്രണ്ട്ലി സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റലുകളായി വളർത്തുന്നതിന് ഈ രീതി ഒരു നല്ല രീതി തുറക്കുന്നു.