گيليم آڪسائيڊ سنگل ڪرسٽل ۽ ايپيٽڪسيل ترقي ٽيڪنالاجي

وائڊ بينڊ گيپ (WBG) سيميڪنڊڪٽرز جن کي سلڪون ڪاربائيڊ (SiC) ۽ گيليم نائيٽائڊ (GaN) جي نمائندگي ڪئي وئي آهي وڏي ڌيان حاصل ڪيو آهي. ماڻهن کي اليڪٽرڪ گاڏين ۽ پاور گرڊز ۾ سلکان ڪاربائيڊ جي ايپليڪيشن جي امڪانن لاءِ وڏيون اميدون آهن، انهي سان گڏ فاسٽ چارجنگ ۾ گيليم نائٽرائڊ جي ايپليڪيشن جا امڪان. تازن سالن ۾، Ga2O3، AlN ۽ هيرن جي مواد تي تحقيق اهم ترقي ڪئي آهي، الٽرا وائڊ بينڊ گيپ سيمي ڪنڊڪٽر مواد کي ڌيان جو مرڪز بڻائي ڇڏيو آهي. انهن مان، گيليم آڪسائيڊ (Ga2O3) هڪ اڀرندڙ الٽرا وائڊ-بينڊ گيپ سيميڪنڊڪٽر مواد آهي جنهن ۾ بينڊ گيپ 4.8 eV آهي، هڪ نظرياتي نازڪ بريڪ ڊائون فيلڊ طاقت اٽڪل 8 MV cm-1، هڪ saturation velocity اٽڪل 2E7cm s-1، ۽ 3000 جو هڪ اعلي باليگا معيار جو عنصر، وڏي پيماني تي حاصل ڪيو اعلي وولٹیج ۽ اعلي تعدد پاور اليڪٽرانڪس جي شعبي ۾ ڌيان ڏيڻ.

1. Gallium oxide مادي خاصيتون

Ga2O3 وٽ ھڪڙو وڏو بينڊ گيپ آھي (4.8 eV)، اميد آھي ته ھاءِ ويٽسٽ وولٽيج ۽ اعليٰ پاور صلاحيتون حاصل ڪري سگھن ٿيون، ۽ ان ۾ نسبتا گھٽ مزاحمت تي ھاءِ وولٽيج جي موافقت جي صلاحيت رکي سگھي ٿي، انھن کي موجوده تحقيق جو مرڪز بڻائيندي. ان کان علاوه، Ga2O3 ۾ نه رڳو بھترين مادي خاصيتون آھن، پر مختلف قسم جي آساني سان ترتيب ڏيڻ واري اين-قسم ڊاپنگ ٽيڪنالاجي پڻ مهيا ڪري ٿي، ان سان گڏ گھٽ قيمت سبسٽريٽ ترقي ۽ ايپيٽيڪسي ٽيڪنالاجيون. هينئر تائين، Ga2O3 ۾ پنج مختلف ڪرسٽل مرحلا دريافت ڪيا ويا آهن، جن ۾ ڪورنڊم (α)، مونوڪلينڪ (β)، خراب اسپنل (γ)، ڪعبي (δ) ۽ orthorhombic (ɛ) مرحلن شامل آهن. Thermodynamic استحڪام آهن، ترتيب ۾، γ، δ، α، ɛ، ۽ β. اها ڳالهه نوٽ ڪرڻ جي قابل آهي ته monoclinic β-Ga2O3 سڀ کان وڌيڪ مستحڪم آهي، خاص طور تي تيز گرمي پد تي، جڏهن ته ٻيا مرحلا ڪمري جي حرارت کان مٿي ميٽاسٽيبل هوندا آهن ۽ مخصوص حرارتي حالتن جي تحت β مرحلن ۾ تبديل ٿيندا آهن. تنهن ڪري، β-Ga2O3-بنياد ڊوائيسز جي ترقي تازن سالن ۾ پاور اليڪٽرانڪس جي شعبي ۾ هڪ وڏو ڌيان بڻجي چڪو آهي.

جدول 1 ڪجھ سيمي ڪنڊڪٽر مادي جي ماپن جو مقابلو

monoclinicβ-Ga2O3 جو ڪرسٽل ڍانچو جدول 1 ۾ ڏيکاريو ويو آهي. ان جي لٽيس پيرا ميٽرز ۾ a = 12.21 Å، b = 3.04 Å، c = 5.8 Å، ۽ β = 103.8° شامل آهن. يونٽ سيل Ga(I) ايٽمس تي مشتمل هوندو آهي ٽوڙيل ٽيٽراهڊرل ڪوآرڊينيشن سان ۽ Ga(II) ايٽمس آڪٽهڊرل ڪوآرڊينيشن سان. آڪسيجن جي ايٽم جا ٽي مختلف ترتيب آهن ”ٽوئسٽ ٿيل ڪعبي“ صف ۾، جن ۾ ٻه ٽڪنڊي سان هموار ٿيل O(I) ۽ O(II) ايٽم ۽ هڪ ٽيٽرا هيڊرل هموار ٿيل O(III) ايٽم شامل آهن. انهن ٻن قسمن جي ايٽمي ڪوآرڊينيشن جو ميلاپ β-Ga2O3 جي anisotropy ڏانهن وٺي ٿو جنهن سان فزڪس، ڪيميائي مرڪب، آپٽڪس ۽ اليڪٽرانڪس ۾ خاص ملڪيتون آهن.

شڪل 1 monoclinic β-Ga2O3 کرسٽل جو اسڪيميٽڪ ڍانچي جو خاڪو

انرجي بينڊ ٿيوري جي نقطه نظر کان، β-Ga2O3 جي ڪنڊڪشن بينڊ جي گھٽ ۾ گھٽ قيمت انرجي اسٽيٽ مان نڪتل آھي جيڪا Ga ائٽم جي 4s0 ھائبرڊ مدار سان ملندڙ آھي. گھٽ ۾ گھٽ قيمت جي وچ ۾ توانائي جو فرق ڪنڊڪشن بينڊ ۽ ويڪيوم توانائي جي سطح (اليڪٽران لاڳاپي توانائي) جي وچ ۾ ماپي ويندي آهي. 4 eV آهي. β-Ga2O3 جو اثرائتو اليڪٽران ماس 0.28-0.33 me ۽ ان جي سازگار برقي چالکائي جي طور تي ماپيو ويندو آهي. بهرحال، والنس بينڊ وڌ ۾ وڌ هڪ اونهو ايڪ وکر ڏيکاري ٿو تمام گهٽ وکر سان ۽ مضبوطي سان O2p orbitals کي مقامي ڪري ٿو، اهو مشورو ڏئي ٿو ته سوراخ تمام گهڻي مقامي آهن. اهي خاصيتون β-Ga2O3 ۾ پي-قسم جي ڊوپنگ حاصل ڪرڻ لاء هڪ وڏو چئلينج پيدا ڪن ٿا. جيتوڻيڪ P-type doping حاصل ڪري سگهجي ٿو، سوراخ μ تمام گهٽ سطح تي رهي ٿو. 2. بلڪ گيليم آڪسائيڊ سنگل ڪرسٽل جي واڌ اڃا تائين، β-Ga2O3 بلڪ سنگل کرسٽل سبسٽرٽ جي واڌ جو طريقو بنيادي طور تي ڪرسٽل ڇڪڻ جو طريقو آهي، جهڙوڪ Czochralski (CZ)، کنڊ جي وضاحت ٿيل پتلي فلم فيڊنگ جو طريقو (Edge-Defined film-fed) ، EFG)، برجمان (آرٽيڪل يا افقي برجمان، ايڇ بي يا VB) ۽ سچل زون (سچل زون، FZ) ٽيڪنالاجي. سڀني طريقن جي وچ ۾، Czochralski ۽ کنڊ جي وضاحت ٿيل پتلي-فلم فيڊنگ طريقن جي توقع ڪئي وئي آهي ته مستقبل ۾ β-Ga 2O3 ويفرز جي وڏي پيداوار لاء سڀ کان وڌيڪ ترقي يافته رستا هوندا، جيئن اهي هڪ ئي وقت ۾ وڏي مقدار ۽ گهٽ خرابي جي کثافت حاصل ڪري سگهن ٿيون. هينئر تائين، جاپان جي ناول ڪرسٽل ٽيڪنالاجي کي محسوس ڪيو آهي هڪ تجارتي ميٽرڪس لاءِ پگھلڻ جي واڌ β-Ga2O3.

1.1 Czochralski طريقو

Czochralski طريقي جو اصول اهو آهي ته ٻج جي پرت کي پهريون ڀيرو ڍڪيو ويندو آهي، ۽ پوء اڪيلو ڪرسٽل کي ڳري مان ڪڍيو ويندو آهي. Czochralski طريقو β-Ga2O3 لاءِ ان جي قيمت-اثرائتي، وڏي سائيز جي صلاحيتن، ۽ اعليٰ ڪرسٽل معيار جي ذيلي ذخيري جي واڌ جي ڪري وڌيڪ اهميت رکي ٿو. بهرحال، Ga2O3 جي تيز گرمي پد جي واڌ دوران حرارتي دٻاءُ جي ڪري، سنگل ڪرسٽل جي بخارات، پگھلڻ واري مواد، ۽ Ir crucible کي نقصان ٿيندو. هي Ga2O3 ۾ گهٽ ن-قسم ڊاپنگ حاصل ڪرڻ ۾ مشڪل جو نتيجو آهي. ترقي جي ماحول ۾ آڪسيجن جي مناسب مقدار کي متعارف ڪرائڻ هن مسئلي کي حل ڪرڻ جو هڪ طريقو آهي. اصلاح جي ذريعي، اعليٰ معيار جي 2 انچ β-Ga2O3 سان مفت اليڪٽران ڪنسنٽريشن رينج 10^16~10^19 cm-3 ۽ وڌ ۾ وڌ اليڪٽران جي کثافت 160 cm2/Vs ڪاميابيءَ سان Czochralski طريقي سان وڌي وئي آهي.

شڪل 2 β-Ga2O3 جو سنگل ڪرسٽل Czochralski طريقي سان اڀريو ويو

1.2 ايج بيان ڪيل فلم فيڊنگ جو طريقو

کنڊ جي وضاحت ٿيل پتلي فلم فيڊنگ جو طريقو وڏي-ايريا Ga2O3 سنگل کرسٽل مواد جي تجارتي پيداوار لاء اهم مقابلي ۾ سمجهيو ويندو آهي. هن طريقي جو اصول اهو آهي ته پگھلي کي ڪيپيلري سلِٽ سان مولڊ ۾ رکيو وڃي، ۽ پگھل ڪيپيلري ايڪشن ذريعي مولڊ ڏانهن وڌي ٿو. مٿي تي، هڪ ٿلهي فلم ٺاهي ٿي ۽ سڀني طرفن ۾ پکڙيل آهي جڏهن ته ٻج ڪرسٽل ذريعي ڪرسٽل ڪرڻ لاء حوصلا افزائي ڪئي ويندي آهي. اضافي طور تي، مولڊ جي چوٽيءَ جي ڪنارن کي ڪنٽرول ڪري سگھجي ٿو فلڪس، ٽيوب، يا ڪنهن به گهربل جاميٽري ۾ ڪرسٽل پيدا ڪرڻ لاءِ. Ga2O3 جي کنڊ جي وضاحت ٿيل پتلي فلم فيڊنگ جو طريقو تيز ترقي جي شرح ۽ وڏو قطر مهيا ڪري ٿو. شڪل 3 هڪ β-Ga2O3 سنگل ڪرسٽل جو هڪ خاڪو ڏيکاري ٿو. ان کان علاوه، سائيز جي ماپ جي لحاظ کان، 2-انچ ۽ 4-انچ β-Ga2O3 ذيلي ذخيري شاندار شفافيت ۽ يونيفارميت سان ڪمرشل ڪيو ويو آهي، جڏهن ته 6-انچ سبسٽراٽي کي مستقبل جي ڪمرشلائيزيشن جي تحقيق ۾ ڏيکاريو ويو آهي. تازو، وڏا سرڪلر سنگل-ڪرسٽل بلڪ مواد پڻ دستياب ٿي چڪا آهن (-201) واقفيت سان. ان کان علاوه، β-Ga2O3 کنڊ جي وضاحت ڪيل فلم فيڊنگ جو طريقو پڻ منتقلي ڌاتو عناصر جي ڊوپنگ کي فروغ ڏئي ٿو، Ga2O3 جي تحقيق ۽ تياري کي ممڪن بڻائي ٿو.

شڪل 3 β-Ga2O3 سنگل ڪرسٽل ايج-ڊائنڊ فلم فيڊنگ طريقي سان اڀري

1.3 پل جو طريقو

برجمن جي طريقي ۾، ڪرسٽل هڪ صليب ۾ ٺهيل آهن جيڪي تيزيء سان درجه حرارت جي درجي ذريعي منتقل ڪيا ويا آهن. اهو عمل افقي يا عمودي رخ ۾ ڪري سگهجي ٿو، عام طور تي گھمڻ واري ڪرسيبل استعمال ڪندي. اهو نوٽ ڪرڻ جي قابل آهي ته هي طريقو استعمال ڪري سگهي ٿو يا نه استعمال ڪري سگهي ٿو ڪرسٽل ٻج. روايتي برجمن آپريٽرز کي پگھلڻ ۽ ڪرسٽل جي ترقي جي عمل جي سڌي نموني جي کوٽ ناهي ۽ لازمي طور تي گرمي پد تي ڪنٽرول ڪرڻ گهرجي. عمودي برجمان طريقو خاص طور تي β-Ga2O3 جي واڌ لاءِ استعمال ٿيندو آهي ۽ هوا جي ماحول ۾ وڌڻ جي صلاحيت لاءِ مشهور آهي. عمودي برجمان طريقي جي ترقي جي عمل دوران، پگھلڻ ۽ ڪرسيبل جي مجموعي نقصان کي 1٪ کان ھيٺ رکيو ويندو آھي، گھٽ ۾ گھٽ نقصان سان وڏي β-Ga2O3 سنگل ڪرسٽل جي واڌ کي چالو ڪري ٿو.

شڪل 4 β-Ga2O3 جو سنگل ڪرسٽل برجمين طريقي سان اڀريو ويو

1.4 فلوٽنگ زون جو طريقو

سچل زون جو طريقو ڪرسٽل آلودگي جي مسئلي کي حل ڪري ٿو crusible مواد ۽ اعلي قيمتن کي گھٽائي ٿو جيڪو اعلي درجه حرارت جي مزاحمتي انفراريڊ crucibles سان لاڳاپيل آهي. هن ترقي جي عمل دوران، پگھل کي آر ايف جي ذريعن جي بدران چراغ سان گرم ڪري سگهجي ٿو، اهڙيء طرح ترقي جي سامان جي گهرج کي آسان بڻائي ٿي. جيتوڻيڪ فلوٽنگ زون جي طريقي سان وڌيل β-Ga2O3 جي شڪل ۽ کرسٽل ڪيفيت اڃا تائين بهتر نه آهي، اهو طريقو اعلي-پاڪيءَ واري β-Ga2O3 کي بجيٽ-دوست سنگل ڪرسٽل ۾ وڌائڻ لاءِ هڪ پرجوش طريقو کولي ٿو.

شڪل 5 β-Ga2O3 سنگل ڪرسٽل فلوٽنگ زون جي طريقي سان اڀري.