ग्यालियम अक्साइड एकल क्रिस्टल र एपिटेक्सियल वृद्धि प्रविधि

सिलिकन कार्बाइड (SiC) र ग्यालियम नाइट्राइड (GaN) द्वारा प्रतिनिधित्व गरिएको वाइड ब्यान्डग्याप (WBG) अर्धचालकहरूले व्यापक ध्यान प्राप्त गरेका छन्। मानिसहरूले विद्युतीय सवारी र पावर ग्रिडहरूमा सिलिकन कार्बाइडको प्रयोगको सम्भावनाका साथै द्रुत चार्जमा ग्यालियम नाइट्राइडको प्रयोग सम्भावनाहरूका लागि उच्च अपेक्षाहरू राख्छन्। हालैका वर्षहरूमा, Ga2O3, AlN र हीरा सामग्रीहरूमा अनुसन्धानले महत्त्वपूर्ण प्रगति गरेको छ, जसले अल्ट्रा-वाइड ब्यान्डग्याप सेमीकन्डक्टर सामग्रीहरूलाई ध्यान केन्द्रित गरेको छ। ती मध्ये, ग्यालियम अक्साइड (Ga2O3) 4.8 eV को ब्यान्ड ग्याप भएको एक उदाउँदो अल्ट्रा-वाइड-ब्यान्डग्याप सेमीकन्डक्टर सामग्री हो, लगभग 8 MV cm-1 को सैद्धान्तिक क्रिटिकल ब्रेकडाउन फिल्ड बल, लगभग 2E7cm s-1 को संतृप्ति वेग, र 3000 को उच्च बालिगा गुणस्तर कारक, व्यापक प्राप्त गर्दै उच्च भोल्टेज र उच्च आवृत्ति पावर इलेक्ट्रोनिक्स को क्षेत्र मा ध्यान।

1. ग्यालियम अक्साइड सामाग्री विशेषताहरु

Ga2O3 सँग ठूलो ब्यान्ड ग्याप (4.8 eV) छ, यसले उच्च प्रतिरोधी भोल्टेज र उच्च पावर क्षमताहरू दुवै हासिल गर्ने अपेक्षा गरिएको छ, र अपेक्षाकृत कम प्रतिरोधमा उच्च भोल्टेज अनुकूलन क्षमताको सम्भावना हुन सक्छ, तिनीहरूलाई हालको अनुसन्धानको केन्द्रबिन्दु बनाउँछ। थप रूपमा, Ga2O3 मा उत्कृष्ट भौतिक गुणहरू मात्र छैनन्, तर यसले सजिलैसँग समायोज्य एन-टाइप डोपिङ प्रविधिहरू, साथै कम लागतको सब्सट्रेट वृद्धि र एपिटेक्सी प्रविधिहरू पनि प्रदान गर्दछ। अहिलेसम्म, Ga2O3 मा पाँच फरक क्रिस्टल चरणहरू पत्ता लगाइएका छन्, जसमा कोरन्डम (α), मोनोक्लिनिक (β), दोषपूर्ण स्पिनल (γ), क्यूबिक (δ) र ओर्थोहोम्बिक (ɛ) चरणहरू समावेश छन्। थर्मोडायनामिक स्थिरताहरू क्रमशः γ, δ, α, ɛ, र β हुन्। यो ध्यान दिन लायक छ कि मोनोक्लिनिक β-Ga2O3 सबैभन्दा स्थिर छ, विशेष गरी उच्च तापमानमा, जबकि अन्य चरणहरू कोठाको तापक्रम भन्दा माथि मेटास्टेबल हुन्छन् र विशिष्ट थर्मल अवस्थाहरूमा β चरणमा रूपान्तरण हुन्छन्। तसर्थ, β-Ga2O3-आधारित उपकरणहरूको विकास हालका वर्षहरूमा पावर इलेक्ट्रोनिक्सको क्षेत्रमा प्रमुख फोकस भएको छ।

तालिका 1 केही अर्धचालक सामग्री प्यारामिटरहरूको तुलना

monoclinicβ-Ga2O3 को क्रिस्टल संरचना तालिका 1 मा देखाइएको छ। यसको जाली मापदण्डहरूमा a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, र β = 103.8° समावेश छन्। एकाइ सेलमा ट्विस्टेड टेट्राहेड्रल समन्वय भएको Ga(I) परमाणुहरू र अष्टहेड्रल समन्वयका साथ Ga(II) परमाणुहरू हुन्छन्। त्यहाँ "ट्विस्टेड क्यूबिक" एरेमा अक्सिजन परमाणुहरूको तीन फरक व्यवस्थाहरू छन्, जसमा दुई त्रिकोणीय रूपमा समन्वयित O(I) र O(II) परमाणुहरू र एउटा टेट्राहेड्रल रूपमा समन्वित O(III) परमाणुहरू छन्। यी दुई प्रकारको आणविक समन्वयको संयोजनले β-Ga2O3 को भौतिकी, रासायनिक क्षरण, अप्टिक्स र इलेक्ट्रोनिक्समा विशेष गुणहरू सहितको एनिसोट्रोपीमा नेतृत्व गर्दछ।

चित्र 1 मोनोक्लिनिक β-Ga2O3 क्रिस्टलको योजनाबद्ध संरचनात्मक रेखाचित्र

ऊर्जा ब्यान्ड सिद्धान्तको परिप्रेक्ष्यमा, β-Ga2O3 को प्रवाहकीय ब्यान्डको न्यूनतम मान Ga परमाणुको 4s0 हाइब्रिड कक्षासँग सम्बन्धित ऊर्जा अवस्थाबाट लिइन्छ। कन्डक्शन ब्यान्डको न्यूनतम मान र भ्याकुम ऊर्जा स्तर (इलेक्ट्रोन एफिनिटी ऊर्जा) बीचको ऊर्जा भिन्नता मापन गरिन्छ। 4 eV छ। β-Ga2O3 को प्रभावकारी इलेक्ट्रोन मास 0.28–0.33 me र यसको अनुकूल इलेक्ट्रोनिक चालकता मापन गरिन्छ। यद्यपि, भ्यालेन्स ब्यान्ड अधिकतमले धेरै कम वक्रता र कडा रूपमा स्थानीयकृत O2p ओर्बिटलहरूको साथ एक उथले एक वक्र प्रदर्शन गर्दछ, जसले प्वालहरू गहिरो रूपमा स्थानीयकृत भएको सुझाव दिन्छ। यी विशेषताहरूले β-Ga2O3 मा p-प्रकार डोपिङ हासिल गर्न ठूलो चुनौती खडा गर्छ। P-प्रकार डोपिङ हासिल गर्न सकिन्छ भने पनि, प्वाल μ एकदम कम स्तरमा रहन्छ। 2. बल्क ग्यालियम अक्साइड एकल क्रिस्टलको वृद्धि अहिलेसम्म, β-Ga2O3 बल्क एकल क्रिस्टल सब्सट्रेटको वृद्धि विधि मुख्यतया क्रिस्टल तान्ने विधि हो, जस्तै Czochralski (CZ), किनारा-परिभाषित पातलो फिल्म फिडिङ विधि (एज-परिभाषित फिल्म-फेड। , EFG), Bridgman (rtical or horizontal Bridgman, HB वा VB) र फ्लोटिंग जोन (फ्लोटिंग जोन, FZ) प्रविधि। सबै विधिहरू मध्ये, Czochralski र किनारा-परिभाषित पातलो-फिल्म फिडिङ विधिहरू भविष्यमा β-Ga 2O3 वेफरहरूको ठूलो उत्पादनको लागि सबैभन्दा आशाजनक मार्गहरू हुने अपेक्षा गरिन्छ, किनकि तिनीहरूले एकै साथ ठूलो मात्रा र कम दोष घनत्वहरू प्राप्त गर्न सक्छन्। अहिले सम्म, जापानको उपन्यास क्रिस्टल टेक्नोलोजीले β-Ga2O3 ग्रोथको लागि व्यावसायिक म्याट्रिक्स महसुस गरेको छ।

1.1 Czochralski विधि

Czochralski विधिको सिद्धान्त यो हो कि बीउ तहलाई पहिले ढाकिएको छ, र त्यसपछि एकल क्रिस्टल बिस्तारै पिघलबाट बाहिर निकालिन्छ। Czochralski विधि यसको लागत-प्रभावकारिता, ठूलो आकार क्षमताहरू, र उच्च क्रिस्टल गुणस्तर सब्सट्रेट वृद्धिको कारणले β-Ga2O3 को लागि बढ्दो महत्त्वपूर्ण छ। यद्यपि, Ga2O3 को उच्च-तापमान वृद्धिको समयमा थर्मल तनावको कारण, एकल क्रिस्टलको वाष्पीकरण, पग्लने सामग्री, र Ir crusible को क्षति हुनेछ। यो Ga2O3 मा कम एन-टाइप डोपिङ हासिल गर्न कठिनाइको परिणाम हो। वृद्धि वायुमण्डलमा अक्सिजनको उचित मात्रा परिचय यो समस्या समाधान गर्ने एक तरिका हो। अप्टिमाइजेसन मार्फत, 10^16~10^19 cm-3 को नि:शुल्क इलेक्ट्रोन सांद्रता दायरा र 160 cm2/Vs को अधिकतम इलेक्ट्रोन घनत्वको साथ उच्च गुणस्तरको 2-इन्च β-Ga2O3 Czochralski विधिद्वारा सफलतापूर्वक बढाइएको छ।

चित्र २ Czochralski विधिद्वारा उब्जाइएको β-Ga2O3 को एकल क्रिस्टल

1.2 किनारा-परिभाषित फिल्म फिडिङ विधि

किनारा-परिभाषित पातलो फिलिम फिडिङ विधि ठूलो-क्षेत्र Ga2O3 एकल क्रिस्टल सामग्रीको व्यावसायिक उत्पादनको लागि प्रमुख दावेदार मानिन्छ। यस विधिको सिद्धान्त भनेको केशिका स्लिटको साथ मोल्डमा पिघल्नु हो, र केशिका कार्य मार्फत पिघल मोल्डमा पुग्छ। शीर्षमा, एक पातलो फिल्म बनाउँछ र सबै दिशाहरूमा फैलिन्छ जबकि बीज क्रिस्टल द्वारा क्रिस्टलाइज गर्न प्रेरित गरिन्छ। थप रूपमा, मोल्ड शीर्षको किनारहरू फ्लेक्स, ट्यूबहरू, वा कुनै पनि इच्छित ज्यामितिमा क्रिस्टलहरू उत्पादन गर्न नियन्त्रण गर्न सकिन्छ। Ga2O3 को किनारा-परिभाषित पातलो फिलिम फिडिङ विधिले द्रुत वृद्धि दर र ठूलो व्यास प्रदान गर्दछ। चित्र 3 ले β-Ga2O3 एकल क्रिस्टलको रेखाचित्र देखाउँछ। थप रूपमा, साइज स्केलको सन्दर्भमा, उत्कृष्ट पारदर्शिता र एकरूपताका साथ 2-इन्च र 4-इन्च β-Ga2O3 सब्सट्रेटहरू व्यावसायिकीकरण गरिएको छ, जबकि 6-इन्च सब्सट्रेट भविष्यको व्यावसायीकरणको लागि अनुसन्धानमा प्रदर्शन गरिएको छ। हालै, ठूला गोलाकार एकल-क्रिस्टल बल्क सामग्रीहरू पनि (−201) अभिमुखीकरणको साथ उपलब्ध भएका छन्। थप रूपमा, β-Ga2O3 किनारा-परिभाषित फिलिम फिडिङ विधिले पनि ट्रान्जिसन धातु तत्वहरूको डोपिङलाई बढावा दिन्छ, जसले Ga2O3 को अनुसन्धान र तयारी सम्भव बनाउँछ।

चित्र 3 β-Ga2O3 एकल क्रिस्टल किनारा-परिभाषित फिलिम फिडिङ विधिद्वारा बढेको

1.3 ब्रिजम्यान विधि

ब्रिजम्यान विधिमा, क्रिस्टलहरू क्रुसिबलमा बनाइन्छ जुन बिस्तारै तापमान ढाँचा मार्फत सारिन्छ। प्रक्रिया तेर्सो वा ठाडो अभिविन्यासमा प्रदर्शन गर्न सकिन्छ, सामान्यतया घुमाउने क्रूसिबल प्रयोग गरेर। यो ध्यान दिन लायक छ कि यो विधि क्रिस्टल बीउ प्रयोग गर्न सक्छ वा हुन सक्दैन। परम्परागत ब्रिजम्यान अपरेटरहरूले पग्लने र क्रिस्टल वृद्धि प्रक्रियाहरूको प्रत्यक्ष दृश्यावलोकनको कमी गर्दैन र उच्च परिशुद्धताका साथ तापमान नियन्त्रण गर्नुपर्छ। ठाडो ब्रिजम्यान विधि मुख्यतया β-Ga2O3 को वृद्धिको लागि प्रयोग गरिन्छ र वायु वातावरणमा बढ्न सक्ने क्षमताको लागि परिचित छ। ठाडो ब्रिजम्यान विधि वृद्धि प्रक्रियाको क्रममा, पग्लिने र क्रुसिबलको कुल जन हानिलाई 1% भन्दा कम राखिएको छ, ठूला β-Ga2O3 एकल क्रिस्टलको वृद्धिलाई न्यूनतम क्षतिको साथ सक्षम पार्दै।

चित्र 4 ब्रिजम्यान विधिद्वारा उब्जाइएको β-Ga2O3 को एकल क्रिस्टल

1.4 फ्लोटिंग क्षेत्र विधि

फ्लोटिंग जोन विधिले क्रुसिबल सामग्रीहरूद्वारा क्रिस्टल प्रदूषणको समस्या समाधान गर्दछ र उच्च तापमान प्रतिरोधी इन्फ्रारेड क्रुसिबलहरूसँग सम्बन्धित उच्च लागतहरू कम गर्दछ। यस वृद्धि प्रक्रियाको क्रममा, पग्लनलाई RF स्रोतको सट्टा बत्तीले तताउन सकिन्छ, यसरी विकास उपकरणहरूको आवश्यकताहरूलाई सरल बनाउँदै। यद्यपि फ्लोटिंग जोन विधिद्वारा बढाइएको β-Ga2O3 को आकार र क्रिस्टल गुणस्तर अझै इष्टतम छैन, यो विधिले उच्च-शुद्धता β-Ga2O3 लाई बजेट-अनुकूल एकल क्रिस्टलमा बढाउनको लागि एक आशाजनक विधि खोल्छ।

चित्र 5 β-Ga2O3 एकल क्रिस्टल फ्लोटिंग जोन विधि द्वारा बढेको।