गॅलियम ऑक्साईड सिंगल क्रिस्टल आणि एपिटॅक्सियल ग्रोथ तंत्रज्ञान

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) आणि गॅलियम नायट्राइड (GaN) द्वारे प्रस्तुत वाइड बँडगॅप (WBG) अर्धसंवाहकांनी व्यापक लक्ष वेधले आहे. लोकांना इलेक्ट्रिक वाहने आणि पॉवर ग्रिड्समध्ये सिलिकॉन कार्बाइडच्या ऍप्लिकेशनच्या संभाव्यतेबद्दल तसेच जलद चार्जिंगमध्ये गॅलियम नायट्राइडच्या ऍप्लिकेशनच्या संभाव्यतेबद्दल उच्च अपेक्षा आहेत. अलिकडच्या वर्षांत, Ga2O3, AlN आणि डायमंड मटेरियलवरील संशोधनाने लक्षणीय प्रगती केली आहे, ज्यामुळे अल्ट्रा-वाइड बँडगॅप सेमीकंडक्टर मटेरियल लक्ष केंद्रीत झाले आहे. त्यापैकी, गॅलियम ऑक्साईड (Ga2O3) हे 4.8 eV च्या बँड गॅपसह एक उदयोन्मुख अल्ट्रा-वाइड-बँडगॅप सेमीकंडक्टर मटेरियल आहे, एक सैद्धांतिक क्रिटिकल ब्रेकडाउन फील्ड स्ट्रेंथ सुमारे 8 MV cm-1, संपृक्तता वेग सुमारे 2E7cm s-1, आणि 3000 चा उच्च बालिगा गुणवत्ता घटक, उच्च व्होल्टेज आणि उच्च वारंवारता पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्सच्या क्षेत्रात व्यापक लक्ष वेधून घेत आहे.

1. गॅलियम ऑक्साईड सामग्रीची वैशिष्ट्ये
Ga2O3 मध्ये मोठा बँड गॅप (4.8 eV) आहे, उच्च वोल्टेज आणि उच्च पॉवर क्षमता दोन्ही साध्य करणे अपेक्षित आहे, आणि तुलनेने कमी प्रतिरोधनात उच्च व्होल्टेज अनुकूलतेची क्षमता असू शकते, ज्यामुळे ते सध्याच्या संशोधनाचे केंद्रबिंदू बनतात. याव्यतिरिक्त, Ga2O3 मध्ये केवळ उत्कृष्ट भौतिक गुणधर्मच नाहीत तर ते विविध प्रकारचे सहज समायोजित करण्यायोग्य n-प्रकार डोपिंग तंत्रज्ञान, तसेच कमी किमतीच्या सब्सट्रेट वाढ आणि एपिटॅक्सी तंत्रज्ञान देखील प्रदान करते. आत्तापर्यंत, Ga2O3 मध्ये पाच वेगवेगळ्या क्रिस्टल टप्पे शोधले गेले आहेत, ज्यात कॉरंडम (α), मोनोक्लिनिक (β), दोषपूर्ण स्पिनल (γ), क्यूबिक (δ) आणि ऑर्थोहॉम्बिक (ɛ) टप्प्यांचा समावेश आहे. थर्मोडायनामिक स्थिरता क्रमाने γ, δ, α, ɛ आणि β आहेत. हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की मोनोक्लिनिक β-Ga2O3 सर्वात स्थिर आहे, विशेषत: उच्च तापमानात, तर इतर टप्पे खोलीच्या तापमानापेक्षा जास्त मेटास्टेबल असतात आणि विशिष्ट थर्मल परिस्थितीत β टप्प्यात रूपांतरित होतात. त्यामुळे, अलिकडच्या वर्षांत पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्सच्या क्षेत्रात β-Ga2O3-आधारित उपकरणांचा विकास मुख्य फोकस बनला आहे.

तक्ता 1 काही सेमीकंडक्टर मटेरियल पॅरामीटर्सची तुलना

monoclinicβ-Ga2O3 ची क्रिस्टल रचना तक्ता 1 मध्ये दर्शविली आहे. त्याच्या जाळीच्या पॅरामीटर्समध्ये a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, आणि β = 103.8° समाविष्ट आहेत. युनिट सेलमध्ये ट्विस्टेड टेट्राहेड्रल कोऑर्डिनेशनसह Ga(I) अणू आणि अष्टहेड्रल समन्वयासह Ga(II) अणू असतात. "ट्विस्टेड क्यूबिक" ॲरेमध्ये ऑक्सिजन अणूंच्या तीन वेगवेगळ्या व्यवस्था आहेत, ज्यामध्ये दोन त्रिकोणी समन्वित O(I) आणि O(II) अणू आणि एक टेट्राहेड्रल समन्वित O(III) अणू समाविष्ट आहेत. या दोन प्रकारच्या अणू समन्वयाच्या संयोजनामुळे भौतिकशास्त्र, रासायनिक गंज, ऑप्टिक्स आणि इलेक्ट्रॉनिक्समधील विशेष गुणधर्मांसह β-Ga2O3 ची ॲनिसोट्रॉपी होते.

आकृती 1 मोनोक्लिनिक β-Ga2O3 क्रिस्टलचे योजनाबद्ध संरचनात्मक आकृती

एनर्जी बँड सिद्धांताच्या दृष्टीकोनातून, β-Ga2O3 च्या वहन बँडचे किमान मूल्य हे Ga अणूच्या 4s0 संकरित कक्षाशी संबंधित ऊर्जा अवस्थेतून मिळवले जाते. कंडक्शन बँडचे किमान मूल्य आणि व्हॅक्यूम एनर्जी लेव्हल (इलेक्ट्रॉन ॲफिनिटी एनर्जी) मधील ऊर्जा फरक मोजला जातो. 4 eV आहे. β-Ga2O3 चे प्रभावी इलेक्ट्रॉन वस्तुमान 0.28–0.33 मी आणि त्याची अनुकूल इलेक्ट्रॉनिक चालकता म्हणून मोजले जाते. तथापि, व्हॅलेन्स बँड कमाल एक उथळ एक वक्र दर्शवितो ज्यामध्ये खूप कमी वक्रता आणि जोरदारपणे स्थानिकीकृत O2p ऑर्बिटल्स आहेत, जे सूचित करते की छिद्र खोलवर स्थानिकीकृत आहेत. β-Ga2O3 मध्ये p-प्रकार डोपिंग साध्य करण्यासाठी या वैशिष्ट्यांमुळे एक मोठे आव्हान आहे. जरी पी-प्रकार डोपिंग साध्य केले जाऊ शकते, छिद्र μ खूप कमी पातळीवर राहते. 2. बल्क गॅलियम ऑक्साईड सिंगल क्रिस्टलची वाढ आतापर्यंत, β-Ga2O3 बल्क सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेटची वाढ पद्धत मुख्यत्वे क्रिस्टल पुलिंग पद्धत आहे, जसे की Czochralski (CZ), धार-परिभाषित पातळ फिल्म फीडिंग पद्धत (एज-डिफाइन्ड फिल्म-फेड). , EFG), Bridgman (rtical or horizontal Bridgman, HB किंवा VB) आणि फ्लोटिंग झोन (फ्लोटिंग झोन, FZ) तंत्रज्ञान. सर्व पद्धतींपैकी, Czochralski आणि काठ-परिभाषित पातळ-फिल्म फीडिंग पद्धती भविष्यात β-Ga 2O3 वेफर्सच्या मोठ्या प्रमाणात उत्पादनासाठी सर्वात आशादायक मार्ग आहेत, कारण ते एकाच वेळी मोठ्या प्रमाणात आणि कमी दोष घनता प्राप्त करू शकतात. आत्तापर्यंत, जपानच्या कादंबरी क्रिस्टल तंत्रज्ञानाने वितळलेल्या वाढीसाठी β-Ga2O3 व्यावसायिक मॅट्रिक्स साकारले आहे.

2.1 Czochralski पद्धत
झोक्राल्स्की पद्धतीचा सिद्धांत असा आहे की प्रथम बियांचा थर झाकून टाकला जातो आणि नंतर एकल क्रिस्टल हळूहळू वितळण्यापासून बाहेर काढला जातो. Czochralski पद्धत β-Ga2O3 साठी तिची किंमत-प्रभावीता, मोठ्या आकाराची क्षमता आणि उच्च क्रिस्टल गुणवत्तेच्या सब्सट्रेट वाढीमुळे अधिक महत्त्वाची आहे. तथापि, Ga2O3 च्या उच्च-तापमान वाढीदरम्यान थर्मल तणावामुळे, सिंगल क्रिस्टल्सचे बाष्पीभवन, वितळलेले पदार्थ आणि Ir क्रूसिबलचे नुकसान होईल. हे Ga2O3 मध्ये कमी n-प्रकार डोपिंग साध्य करण्यात अडचणीचा परिणाम आहे. वाढीच्या वातावरणात योग्य प्रमाणात ऑक्सिजनचा परिचय करून देणे हा या समस्येचे निराकरण करण्याचा एक मार्ग आहे. ऑप्टिमायझेशनद्वारे, 10^16~10^19 cm-3 च्या मुक्त इलेक्ट्रॉन एकाग्रता श्रेणीसह उच्च-गुणवत्तेचे 2-इंच β-Ga2O3 आणि जास्तीत जास्त 160 cm2/Vs ची इलेक्ट्रॉन घनता Czochralski पद्धतीद्वारे यशस्वीरित्या वाढविली गेली आहे.

आकृती 2 Czochralski पद्धतीने उगवलेले β-Ga2O3 चे एकल क्रिस्टल

2.2 एज-परिभाषित फिल्म फीडिंग पद्धत
एज-परिभाषित पातळ फिल्म फीडिंग पद्धत मोठ्या-क्षेत्राच्या Ga2O3 सिंगल क्रिस्टल मटेरियलच्या व्यावसायिक उत्पादनासाठी प्रमुख दावेदार मानली जाते. या पद्धतीचे तत्त्व म्हणजे केशिका स्लिटसह वितळलेल्या साच्यामध्ये ठेवणे आणि केशिका क्रियेद्वारे वितळणे साच्यात येते. शीर्षस्थानी, एक पातळ फिल्म तयार होते आणि सर्व दिशांना पसरते आणि बीज क्रिस्टलद्वारे स्फटिक बनवते. याव्यतिरिक्त, फ्लेक्स, ट्यूब किंवा कोणत्याही इच्छित भूमितीमध्ये क्रिस्टल्स तयार करण्यासाठी मोल्ड टॉपच्या कडा नियंत्रित केल्या जाऊ शकतात. Ga2O3 ची काठ-परिभाषित पातळ फिल्म फीडिंग पद्धत जलद वाढ दर आणि मोठा व्यास प्रदान करते. आकृती 3 β-Ga2O3 सिंगल क्रिस्टलचा आकृती दाखवते. याव्यतिरिक्त, आकारमानाच्या बाबतीत, उत्कृष्ट पारदर्शकता आणि एकसमानता असलेले 2-इंच आणि 4-इंच β-Ga2O3 सब्सट्रेटचे व्यावसायिकीकरण केले गेले आहे, तर 6-इंच सब्सट्रेट भविष्यातील व्यापारीकरणासाठी संशोधनात प्रदर्शित केले आहे. अलीकडे, मोठे वर्तुळाकार सिंगल-क्रिस्टल बल्क मटेरियल (−201) अभिमुखता देखील उपलब्ध झाले आहेत. याव्यतिरिक्त, β-Ga2O3 एज-डिफाइंड फिल्म फीडिंग पद्धत संक्रमण धातू घटकांच्या डोपिंगला प्रोत्साहन देते, ज्यामुळे Ga2O3 चे संशोधन आणि तयारी शक्य होते.

आकृती 3 β-Ga2O3 सिंगल क्रिस्टल एज-डिफाइंड फिल्म फीडिंग पद्धतीने उगवले जाते

2.3 ब्रिजमन पद्धत
ब्रिजमन पद्धतीमध्ये, क्रुसिबलमध्ये क्रिस्टल्स तयार होतात जे तापमान ग्रेडियंटमधून हळूहळू हलवले जातात. प्रक्रिया क्षैतिज किंवा अनुलंब अभिमुखतेमध्ये केली जाऊ शकते, सामान्यत: फिरणारे क्रूसिबल वापरून. हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की ही पद्धत क्रिस्टल बिया वापरू शकते किंवा नाही. पारंपारिक ब्रिजमन ऑपरेटरमध्ये वितळणे आणि क्रिस्टल वाढीच्या प्रक्रियेचे थेट दृश्यमान नसतात आणि उच्च अचूकतेसह तापमान नियंत्रित करणे आवश्यक आहे. उभ्या ब्रिजमन पद्धतीचा वापर प्रामुख्याने β-Ga2O3 च्या वाढीसाठी केला जातो आणि ती हवेच्या वातावरणात वाढण्याच्या क्षमतेसाठी ओळखली जाते. उभ्या ब्रिजमन पद्धतीच्या वाढीच्या प्रक्रियेदरम्यान, वितळणे आणि क्रूसिबलचे एकूण वस्तुमान नुकसान 1% च्या खाली ठेवले जाते, ज्यामुळे मोठ्या β-Ga2O3 एकल क्रिस्टल्सची वाढ कमी होते.

आकृती 4 ब्रिजमन पद्धतीने उगवलेले β-Ga2O3 चे सिंगल क्रिस्टल

2.4 फ्लोटिंग झोन पद्धत
फ्लोटिंग झोन पद्धत क्रूसिबल सामग्रीद्वारे क्रिस्टल दूषित होण्याच्या समस्येचे निराकरण करते आणि उच्च तापमान प्रतिरोधक इन्फ्रारेड क्रूसिबलशी संबंधित उच्च खर्च कमी करते. या वाढीच्या प्रक्रियेदरम्यान, वितळणे आरएफ स्त्रोताऐवजी दिव्याद्वारे गरम केले जाऊ शकते, अशा प्रकारे वाढीच्या उपकरणांसाठी आवश्यकता सुलभ करते. फ्लोटिंग झोन पद्धतीने वाढलेल्या β-Ga2O3 चा आकार आणि क्रिस्टल गुणवत्ता अद्याप इष्टतम नसली तरी, ही पद्धत उच्च-शुद्धता β-Ga2O3 बजेट-फ्रेंडली सिंगल क्रिस्टल्समध्ये वाढवण्यासाठी एक आशादायक पद्धत उघडते.

आकृती 5 β-Ga2O3 एकल क्रिस्टल फ्लोटिंग झोन पद्धतीने उगवले जाते.