గాలియం ఆక్సైడ్ సింగిల్ క్రిస్టల్ మరియు ఎపిటాక్సియల్ గ్రోత్ టెక్నాలజీ

సిలికాన్ కార్బైడ్ (SiC) మరియు గాలియం నైట్రైడ్ (GaN) ద్వారా ప్రాతినిధ్యం వహించే వైడ్ బ్యాండ్‌గ్యాప్ (WBG) సెమీకండక్టర్‌లు విస్తృత దృష్టిని పొందాయి. ఎలక్ట్రిక్ వాహనాలు మరియు పవర్ గ్రిడ్‌లలో సిలికాన్ కార్బైడ్ యొక్క అప్లికేషన్ అవకాశాలు, అలాగే ఫాస్ట్ ఛార్జింగ్‌లో గాలియం నైట్రైడ్ యొక్క అప్లికేషన్ అవకాశాలపై ప్రజలు అధిక అంచనాలను కలిగి ఉన్నారు. ఇటీవలి సంవత్సరాలలో, Ga2O3, AlN మరియు డైమండ్ మెటీరియల్స్‌పై పరిశోధనలు గణనీయమైన పురోగతిని సాధించాయి, అల్ట్రా-వైడ్ బ్యాండ్‌గ్యాప్ సెమీకండక్టర్ మెటీరియల్స్ దృష్టిని కేంద్రీకరించాయి. వాటిలో, గాలియం ఆక్సైడ్ (Ga2O3) అనేది 4.8 eV బ్యాండ్ గ్యాప్‌తో ఉద్భవిస్తున్న అల్ట్రా-వైడ్-బ్యాండ్‌గ్యాప్ సెమీకండక్టర్ మెటీరియల్, ఇది 8 MV cm-1 యొక్క సైద్ధాంతిక క్లిష్టమైన బ్రేక్‌డౌన్ ఫీల్డ్ బలం, దాదాపు 2E7cm s-1 సంతృప్త వేగం, మరియు 3000 యొక్క అధిక బలిగా నాణ్యత కారకం, విస్తృత దృష్టిని అందుకుంది అధిక వోల్టేజ్ మరియు అధిక ఫ్రీక్వెన్సీ పవర్ ఎలక్ట్రానిక్స్ ఫీల్డ్.

1. గాలియం ఆక్సైడ్ పదార్థ లక్షణాలు
Ga2O3 పెద్ద బ్యాండ్ గ్యాప్ (4.8 eV) కలిగి ఉంది, అధిక తట్టుకునే వోల్టేజ్ మరియు అధిక శక్తి సామర్థ్యాలు రెండింటినీ సాధించగలదని అంచనా వేయబడింది మరియు సాపేక్షంగా తక్కువ ప్రతిఘటనతో అధిక వోల్టేజ్ అనుకూలతను కలిగి ఉంటుంది, వాటిని ప్రస్తుత పరిశోధనలో కేంద్రీకరిస్తుంది. అదనంగా, Ga2O3 అద్భుతమైన మెటీరియల్ లక్షణాలను కలిగి ఉండటమే కాకుండా, వివిధ రకాల సులభంగా సర్దుబాటు చేయగల n-రకం డోపింగ్ సాంకేతికతలను, అలాగే తక్కువ-ధర ఉపరితల పెరుగుదల మరియు ఎపిటాక్సీ సాంకేతికతలను కూడా అందిస్తుంది. ఇప్పటివరకు, Ga2O3లో ఐదు వేర్వేరు క్రిస్టల్ దశలు కనుగొనబడ్డాయి, వీటిలో కొరండం (α), మోనోక్లినిక్ (β), లోపభూయిష్ట స్పినెల్ (γ), క్యూబిక్ (δ) మరియు ఆర్థోహోంబిక్ (ɛ) దశలు ఉన్నాయి. థర్మోడైనమిక్ స్థిరత్వాలు క్రమంలో, γ, δ, α, ɛ మరియు β. మోనోక్లినిక్ β-Ga2O3 అత్యంత స్థిరంగా ఉంటుంది, ముఖ్యంగా అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద, ఇతర దశలు గది ఉష్ణోగ్రత కంటే మెటాస్టేబుల్ మరియు నిర్దిష్ట ఉష్ణ పరిస్థితులలో β దశగా రూపాంతరం చెందుతాయి. అందువల్ల, ఇటీవలి సంవత్సరాలలో పవర్ ఎలక్ట్రానిక్స్ రంగంలో β-Ga2O3-ఆధారిత పరికరాల అభివృద్ధి ప్రధాన కేంద్రంగా మారింది.

టేబుల్ 1 కొన్ని సెమీకండక్టర్ మెటీరియల్ పారామితుల పోలిక

మోనోక్లినిక్β-Ga2O3 యొక్క క్రిస్టల్ నిర్మాణం టేబుల్ 1లో చూపబడింది. దాని లాటిస్ పారామితులు a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, మరియు β = 103.8°. యూనిట్ సెల్‌లో ట్విస్టెడ్ టెట్రాహెడ్రల్ కోఆర్డినేషన్‌తో Ga(I) అణువులు మరియు అష్టాహెడ్రల్ కోఆర్డినేషన్‌తో Ga(II) అణువులు ఉంటాయి. "ట్విస్టెడ్ క్యూబిక్" శ్రేణిలో ఆక్సిజన్ అణువుల యొక్క మూడు వేర్వేరు ఏర్పాట్లు ఉన్నాయి, ఇందులో రెండు త్రిభుజాకార సమన్వయ O(I) మరియు O(II) అణువులు మరియు ఒక టెట్రాహెడ్రల్లీ కోఆర్డినేటెడ్ O(III) అణువు ఉన్నాయి. ఈ రెండు రకాల అటామిక్ కోఆర్డినేషన్ కలయిక భౌతిక శాస్త్రం, రసాయన తుప్పు, ఆప్టిక్స్ మరియు ఎలక్ట్రానిక్స్‌లో ప్రత్యేక లక్షణాలతో β-Ga2O3 యొక్క అనిసోట్రోపికి దారి తీస్తుంది.

మూర్తి 1 మోనోక్లినిక్ β-Ga2O3 క్రిస్టల్ యొక్క స్కీమాటిక్ స్ట్రక్చరల్ రేఖాచిత్రం

శక్తి బ్యాండ్ సిద్ధాంతం యొక్క దృక్కోణం నుండి, β-Ga2O3 యొక్క కండక్షన్ బ్యాండ్ యొక్క కనీస విలువ Ga అణువు యొక్క 4s0 హైబ్రిడ్ కక్ష్యకు సంబంధించిన శక్తి స్థితి నుండి తీసుకోబడింది. కండక్షన్ బ్యాండ్ యొక్క కనీస విలువ మరియు వాక్యూమ్ ఎనర్జీ లెవెల్ (ఎలక్ట్రాన్ అఫినిటీ ఎనర్జీ) మధ్య శక్తి వ్యత్యాసం కొలుస్తారు. 4 eV. β-Ga2O3 యొక్క ప్రభావవంతమైన ఎలక్ట్రాన్ ద్రవ్యరాశిని 0.28–0.33 me మరియు దాని అనుకూలమైన ఎలక్ట్రానిక్ వాహకతగా కొలుస్తారు. ఏదేమైనప్పటికీ, వాలెన్స్ బ్యాండ్ గరిష్టంగా చాలా తక్కువ వక్రత మరియు గట్టిగా స్థానికీకరించబడిన O2p కక్ష్యలతో నిస్సారమైన Ek వక్రరేఖను ప్రదర్శిస్తుంది, ఇది రంధ్రాలు లోతుగా స్థానీకరించబడిందని సూచిస్తున్నాయి. ఈ లక్షణాలు β-Ga2O3లో p-టైప్ డోపింగ్‌ను సాధించడానికి భారీ సవాలుగా మారతాయి. P-రకం డోపింగ్ సాధించగలిగినప్పటికీ, రంధ్రం μ చాలా తక్కువ స్థాయిలో ఉంటుంది. 2. బల్క్ గ్యాలియం ఆక్సైడ్ సింగిల్ క్రిస్టల్ యొక్క పెరుగుదల ఇప్పటివరకు, β-Ga2O3 బల్క్ సింగిల్ క్రిస్టల్ సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క పెరుగుదల పద్ధతి ప్రధానంగా క్రిస్టల్ పుల్లింగ్ పద్ధతి, ఉదాహరణకు Czochralski (CZ), ఎడ్జ్-డిఫైన్డ్ థిన్ ఫిల్మ్ ఫీడింగ్ మెథడ్ (Edge -Defined film-fed , EFG), బ్రిడ్జ్‌మ్యాన్ (ఆర్టికల్ లేదా హారిజాంటల్ బ్రిడ్‌మ్యాన్, HB లేదా VB) మరియు ఫ్లోటింగ్ జోన్ (ఫ్లోటింగ్ జోన్, FZ) టెక్నాలజీ. అన్ని పద్ధతులలో, Czochralski మరియు ఎడ్జ్-డిఫైన్డ్ థిన్-ఫిల్మ్ ఫీడింగ్ పద్ధతులు భవిష్యత్తులో β-Ga 2O3 పొరల భారీ ఉత్పత్తికి అత్యంత ఆశాజనకమైన మార్గాలుగా భావిస్తున్నారు, ఎందుకంటే అవి ఏకకాలంలో పెద్ద వాల్యూమ్‌లను మరియు తక్కువ లోప సాంద్రతలను సాధించగలవు. ఇప్పటి వరకు, జపాన్ యొక్క నవల క్రిస్టల్ టెక్నాలజీ కరిగే వృద్ధి β-Ga2O3 కోసం వాణిజ్య మాతృకను గుర్తించింది.

2.1 Czochralski పద్ధతి
Czochralski పద్ధతి యొక్క సూత్రం ఏమిటంటే, విత్తన పొర మొదట కప్పబడి ఉంటుంది, ఆపై ఒకే క్రిస్టల్ నెమ్మదిగా కరుగు నుండి బయటకు తీయబడుతుంది. Czochralski పద్ధతి β-Ga2O3కి దాని ఖర్చు-ప్రభావం, పెద్ద పరిమాణ సామర్థ్యాలు మరియు అధిక స్ఫటిక నాణ్యత గల ఉపరితల పెరుగుదల కారణంగా చాలా ముఖ్యమైనది. అయినప్పటికీ, Ga2O3 యొక్క అధిక-ఉష్ణోగ్రత పెరుగుదల సమయంలో ఉష్ణ ఒత్తిడి కారణంగా, ఒకే స్ఫటికాల ఆవిరి, కరుగు పదార్థాలు మరియు Ir క్రూసిబుల్‌కు నష్టం జరుగుతుంది. ఇది Ga2O3లో తక్కువ n-రకం డోపింగ్‌ని సాధించడంలో ఉన్న కష్టం యొక్క ఫలితం. వృద్ధి వాతావరణంలో ఆక్సిజన్‌ను తగిన మొత్తంలో ప్రవేశపెట్టడం ఈ సమస్యను పరిష్కరించడానికి ఒక మార్గం. ఆప్టిమైజేషన్ ద్వారా, 10^16~10^19 cm-3 ఉచిత ఎలక్ట్రాన్ సాంద్రత పరిధి మరియు 160 cm2/Vs గరిష్ట ఎలక్ట్రాన్ సాంద్రత కలిగిన అధిక-నాణ్యత 2-అంగుళాల β-Ga2O3 Czochralski పద్ధతి ద్వారా విజయవంతంగా పెంచబడింది.

మూర్తి 2 క్జోక్రాల్స్కి పద్ధతి ద్వారా పెరిగిన β-Ga2O3 యొక్క సింగిల్ క్రిస్టల్

2.2 ఎడ్జ్-డిఫైన్డ్ ఫిల్మ్ ఫీడింగ్ పద్ధతి
ఎడ్జ్-డిఫైన్డ్ థిన్ ఫిల్మ్ ఫీడింగ్ పద్ధతి పెద్ద-ఏరియా Ga2O3 సింగిల్ క్రిస్టల్ మెటీరియల్స్ యొక్క వాణిజ్య ఉత్పత్తికి ప్రముఖ పోటీదారుగా పరిగణించబడుతుంది. ఈ పద్ధతి యొక్క సూత్రం ఒక కేశనాళిక చీలికతో ఒక అచ్చులో కరుగును ఉంచడం, మరియు కరిగేది కేశనాళిక చర్య ద్వారా అచ్చుకు పెరుగుతుంది. పైభాగంలో, ఒక సన్నని చలనచిత్రం ఏర్పడుతుంది మరియు విత్తన స్ఫటికం ద్వారా స్ఫటికీకరణకు ప్రేరేపించబడినప్పుడు అన్ని దిశలలో వ్యాపిస్తుంది. అదనంగా, రేకులు, గొట్టాలు లేదా ఏదైనా కావలసిన జ్యామితిలో స్ఫటికాలను ఉత్పత్తి చేయడానికి అచ్చు పైభాగం యొక్క అంచులను నియంత్రించవచ్చు. Ga2O3 యొక్క ఎడ్జ్-డిఫైన్డ్ థిన్ ఫిల్మ్ ఫీడింగ్ పద్ధతి వేగవంతమైన వృద్ధి రేట్లు మరియు పెద్ద వ్యాసాలను అందిస్తుంది. మూర్తి 3 β-Ga2O3 సింగిల్ క్రిస్టల్ యొక్క రేఖాచిత్రాన్ని చూపుతుంది. అదనంగా, సైజు స్కేల్ పరంగా, అద్భుతమైన పారదర్శకత మరియు ఏకరూపతతో 2-అంగుళాల మరియు 4-అంగుళాల β-Ga2O3 సబ్‌స్ట్రేట్‌లు వాణిజ్యీకరించబడ్డాయి, అయితే 6-అంగుళాల ఉపరితలం భవిష్యత్తులో వాణిజ్యీకరణ కోసం పరిశోధనలో ప్రదర్శించబడింది. ఇటీవల, పెద్ద వృత్తాకార సింగిల్-క్రిస్టల్ బల్క్ పదార్థాలు కూడా (−201) ధోరణితో అందుబాటులోకి వచ్చాయి. అదనంగా, β-Ga2O3 అంచు-నిర్వచించిన ఫిల్మ్ ఫీడింగ్ పద్ధతి కూడా పరివర్తన మెటల్ మూలకాల యొక్క డోపింగ్‌ను ప్రోత్సహిస్తుంది, దీని వలన Ga2O3 యొక్క పరిశోధన మరియు తయారీ సాధ్యమవుతుంది.

మూర్తి 3 β-Ga2O3 సింగిల్ క్రిస్టల్ ఎడ్జ్-డిఫైన్డ్ ఫిల్మ్ ఫీడింగ్ పద్ధతి ద్వారా పెంచబడింది

2.3 బ్రిడ్జ్‌మ్యాన్ పద్ధతి
బ్రిడ్జ్‌మ్యాన్ పద్ధతిలో, స్ఫటికాలు క్రూసిబుల్‌లో ఏర్పడతాయి, ఇవి క్రమంగా ఉష్ణోగ్రత ప్రవణత ద్వారా తరలించబడతాయి. సాధారణంగా తిరిగే క్రూసిబుల్‌ని ఉపయోగించి, క్షితిజ సమాంతర లేదా నిలువు ధోరణిలో ప్రక్రియను నిర్వహించవచ్చు. ఈ పద్ధతి క్రిస్టల్ విత్తనాలను ఉపయోగించకపోవచ్చు లేదా ఉపయోగించకపోవచ్చని గమనించాలి. సాంప్రదాయ బ్రిడ్జ్‌మ్యాన్ ఆపరేటర్‌లు ద్రవీభవన మరియు స్ఫటిక పెరుగుదల ప్రక్రియల యొక్క ప్రత్యక్ష దృశ్యమానతను కలిగి ఉండరు మరియు అధిక ఖచ్చితత్వంతో ఉష్ణోగ్రతలను నియంత్రించాలి. నిలువు బ్రిడ్జ్‌మ్యాన్ పద్ధతి ప్రధానంగా β-Ga2O3 పెరుగుదలకు ఉపయోగించబడుతుంది మరియు గాలి వాతావరణంలో పెరిగే సామర్థ్యానికి ప్రసిద్ధి చెందింది. నిలువు బ్రిడ్జ్‌మ్యాన్ పద్ధతి వృద్ధి ప్రక్రియలో, కరిగే మరియు క్రూసిబుల్ యొక్క మొత్తం ద్రవ్యరాశి నష్టం 1% కంటే తక్కువగా ఉంచబడుతుంది, ఇది కనిష్ట నష్టంతో పెద్ద β-Ga2O3 సింగిల్ స్ఫటికాల పెరుగుదలను అనుమతిస్తుంది.

మూర్తి 4 బ్రిడ్జ్‌మాన్ పద్ధతి ద్వారా పెరిగిన β-Ga2O3 యొక్క సింగిల్ క్రిస్టల్

2.4 ఫ్లోటింగ్ జోన్ పద్ధతి
ఫ్లోటింగ్ జోన్ పద్ధతి క్రూసిబుల్ మెటీరియల్స్ ద్వారా క్రిస్టల్ కాలుష్యం యొక్క సమస్యను పరిష్కరిస్తుంది మరియు అధిక ఉష్ణోగ్రత నిరోధక ఇన్‌ఫ్రారెడ్ క్రూసిబుల్స్‌తో అనుబంధించబడిన అధిక ఖర్చులను తగ్గిస్తుంది. ఈ వృద్ధి ప్రక్రియలో, కరుగును RF మూలం కాకుండా దీపం ద్వారా వేడి చేయవచ్చు, తద్వారా వృద్ధి పరికరాల అవసరాలను సులభతరం చేస్తుంది. ఫ్లోటింగ్ జోన్ పద్ధతి ద్వారా పెరిగిన β-Ga2O3 ఆకారం మరియు క్రిస్టల్ నాణ్యత ఇంకా సరైనది కానప్పటికీ, ఈ పద్ధతి అధిక-స్వచ్ఛత β-Ga2O3ని బడ్జెట్-స్నేహపూర్వక సింగిల్ స్ఫటికాలుగా పెంచడానికి ఒక మంచి పద్ధతిని తెరుస్తుంది.

మూర్తి 5 β-Ga2O3 సింగిల్ క్రిస్టల్ ఫ్లోటింగ్ జోన్ పద్ధతి ద్వారా పెంచబడింది.