گیلیم آکسائیڈ سنگل کرسٹل اور ایپیٹیکسیل گروتھ ٹیکنالوجی

وائڈ بینڈ گیپ (WBG) سیمی کنڈکٹرز جن کی نمائندگی سلکان کاربائیڈ (SiC) اور گیلیم نائٹرائڈ (GaN) نے کی ہے، نے بڑے پیمانے پر توجہ حاصل کی ہے۔ لوگ الیکٹرک گاڑیوں اور پاور گرڈز میں سلکان کاربائیڈ کے اطلاق کے امکانات کے ساتھ ساتھ تیز رفتار چارجنگ میں گیلیم نائٹرائڈ کے اطلاق کے امکانات کے بارے میں بہت زیادہ توقعات رکھتے ہیں۔ حالیہ برسوں میں، Ga2O3، AlN اور ہیرے کے مواد پر تحقیق نے اہم پیش رفت کی ہے، جس سے الٹرا وائیڈ بینڈ گیپ سیمی کنڈکٹر مواد کو توجہ کا مرکز بنایا گیا ہے۔ ان میں، گیلیم آکسائیڈ (Ga2O3) ایک ابھرتا ہوا الٹرا وائیڈ بینڈ گیپ سیمی کنڈکٹر مواد ہے جس کا بینڈ گیپ 4.8 eV ہے، تقریباً 8 MV cm-1 کی ایک نظریاتی تنقیدی خرابی فیلڈ کی طاقت، تقریباً 2E7cm s-1 کی سنترپتی رفتار، اور 3000 کا ایک اعلی بالیگا کوالٹی فیکٹر، بڑے پیمانے پر موصول ہو رہا ہے۔ ہائی وولٹیج اور ہائی فریکوئنسی پاور الیکٹرانکس کے میدان میں توجہ۔

1. گیلیم آکسائڈ مواد کی خصوصیات
Ga2O3 میں ایک بڑا بینڈ گیپ (4.8 eV) ہے، اس سے توقع کی جاتی ہے کہ وہ ہائی برداشت کرنے والی وولٹیج اور ہائی پاور کی صلاحیتیں دونوں حاصل کرے گا، اور نسبتاً کم مزاحمت پر ہائی وولٹیج کے موافق ہونے کی صلاحیت رکھتا ہے، جو انہیں موجودہ تحقیق کا مرکز بناتا ہے۔ اس کے علاوہ، Ga2O3 میں نہ صرف بہترین مادی خصوصیات ہیں، بلکہ یہ مختلف قسم کی آسانی سے ایڈجسٹ ہونے والی n-type ڈوپنگ ٹیکنالوجیز کے ساتھ ساتھ کم لاگت سبسٹریٹ گروتھ اور epitaxy ٹیکنالوجیز بھی فراہم کرتا ہے۔ Ga2O3 میں اب تک پانچ مختلف کرسٹل فیزز دریافت کیے گئے ہیں، جن میں کورنڈم (α)، مونوکلینک (β)، ڈیفیکٹیو اسپنل (γ)، کیوبک (δ) اور آرتھورومبک (ɛ) فیزز شامل ہیں۔ تھرموڈینامک استحکام، ترتیب میں، γ، δ، α، ɛ، اور β ہیں۔ یہ بات قابل غور ہے کہ monoclinic β-Ga2O3 سب سے زیادہ مستحکم ہے، خاص طور پر اعلی درجہ حرارت پر، جبکہ دیگر مراحل کمرے کے درجہ حرارت سے زیادہ میٹاسٹیبل ہوتے ہیں اور مخصوص تھرمل حالات میں β مرحلے میں تبدیل ہوتے ہیں۔ لہذا، β-Ga2O3 پر مبنی آلات کی ترقی حالیہ برسوں میں پاور الیکٹرانکس کے شعبے میں ایک اہم توجہ بن گئی ہے۔

جدول 1 کچھ سیمی کنڈکٹر مادی پیرامیٹرز کا موازنہ

monoclinicβ-Ga2O3 کا کرسٹل ڈھانچہ ٹیبل 1 میں دکھایا گیا ہے۔ اس کے جعلی پیرامیٹرز میں a = 12.21 Å، b = 3.04 Å، c = 5.8 Å، اور β = 103.8° شامل ہیں۔ یونٹ سیل گا (I) ایٹموں پر مشتمل ہوتا ہے جس میں بٹی ہوئی ٹیٹراہیڈرل کوآرڈینیشن اور Ga(II) ایٹم آکٹہیڈرل کوآرڈینیشن کے ساتھ ہوتے ہیں۔ "ٹوئسٹڈ کیوبک" صف میں آکسیجن ایٹموں کے تین مختلف انتظامات ہیں، جن میں دو تکونی طور پر مربوط O(I) اور O(II) ایٹم اور ایک ٹیٹراہیڈرالی کوآرڈینیٹڈ O(III) ایٹم شامل ہیں۔ ان دو قسم کے جوہری ہم آہنگی کا مجموعہ β-Ga2O3 کی انیسوٹروپی کی طرف لے جاتا ہے جس میں طبیعیات، کیمیائی سنکنرن، آپٹکس اور الیکٹرانکس میں خصوصی خصوصیات ہیں۔

شکل 1 مونوکلینک β-Ga2O3 کرسٹل کا اسکیمیٹک ساختی خاکہ

انرجی بینڈ تھیوری کے نقطہ نظر سے، β-Ga2O3 کے کنڈکشن بینڈ کی کم از کم قدر Ga ایٹم کے 4s0 ہائبرڈ مدار کے مطابق توانائی کی حالت سے حاصل کی گئی ہے۔ کنڈکشن بینڈ کی کم از کم قدر اور ویکیوم انرجی لیول (الیکٹران انرجی انرجی) کے درمیان توانائی کا فرق ماپا جاتا ہے۔ 4 eV ہے۔ β-Ga2O3 کا موثر الیکٹران ماس 0.28–0.33 me اور اس کی سازگار الیکٹرانک چالکتا کے طور پر ماپا جاتا ہے۔ تاہم، والینس بینڈ زیادہ سے زیادہ ایک اتلی ایک وکر کی نمائش کرتا ہے جس میں بہت کم گھماؤ اور مضبوطی سے مقامی O2p مدار ہے، جو تجویز کرتا ہے کہ سوراخ گہرے مقامی ہیں۔ یہ خصوصیات β-Ga2O3 میں پی ٹائپ ڈوپنگ حاصل کرنے کے لیے ایک بہت بڑا چیلنج ہیں۔ یہاں تک کہ اگر پی قسم کی ڈوپنگ حاصل کی جاسکتی ہے، سوراخ μ بہت کم سطح پر رہتا ہے۔ 2. بلک گیلیم آکسائیڈ سنگل کرسٹل کی نمو اب تک، β-Ga2O3 بلک سنگل کرسٹل سبسٹریٹ کی ترقی کا طریقہ بنیادی طور پر کرسٹل کھینچنے کا طریقہ ہے، جیسے Czochralski (CZ)، کنارے سے متعین پتلی فلم فیڈنگ کا طریقہ (Edge-Defined film-fed) ، ای ایف جی)، برج مین (آرٹیکل یا افقی برج مین، ایچ بی یا VB) اور فلوٹنگ زون (فلوٹنگ زون، ایف زیڈ) ٹیکنالوجی۔ تمام طریقوں میں سے، Czochralski اور کنارے سے متعین پتلی فلم فیڈنگ کے طریقے مستقبل میں β-Ga 2O3 ویفرز کی بڑے پیمانے پر پیداوار کے لیے سب سے زیادہ امید افزا راستے ہوں گے، کیونکہ وہ بیک وقت بڑی مقدار اور کم خرابی کی کثافت حاصل کر سکتے ہیں۔ اب تک، جاپان کی نوول کرسٹل ٹیکنالوجی نے پگھلنے کی ترقی β-Ga2O3 کے لیے تجارتی میٹرکس کا احساس کر لیا ہے۔

2.1 Czochralski طریقہ
Czochralski طریقہ کا اصول یہ ہے کہ پہلے بیج کی تہہ کو ڈھانپ دیا جاتا ہے، اور پھر سنگل کرسٹل کو آہستہ آہستہ پگھلنے سے باہر نکالا جاتا ہے۔ Czochralski طریقہ β-Ga2O3 کے لیے اپنی لاگت کی تاثیر، بڑے سائز کی صلاحیتوں، اور اعلی کرسٹل کوالٹی سبسٹریٹ کی نمو کی وجہ سے تیزی سے اہم ہے۔ تاہم، Ga2O3 کے اعلی درجہ حرارت کی نشوونما کے دوران تھرمل تناؤ کی وجہ سے، سنگل کرسٹل کے بخارات، پگھلنے والے مواد، اور Ir کروسیبل کو نقصان پہنچے گا۔ یہ Ga2O3 میں کم این ٹائپ ڈوپنگ حاصل کرنے میں دشواری کا نتیجہ ہے۔ ترقی کے ماحول میں آکسیجن کی مناسب مقدار کو متعارف کرانا اس مسئلے کو حل کرنے کا ایک طریقہ ہے۔ اصلاح کے ذریعے، 10^16~10^19 cm-3 کی مفت الیکٹران حراستی کی حد اور 160 cm2/Vs کی زیادہ سے زیادہ الیکٹران کثافت کے ساتھ اعلیٰ معیار کا 2-انچ β-Ga2O3 Czochralski طریقہ سے کامیابی کے ساتھ اگایا گیا ہے۔

تصویر 2 Czochralski طریقہ سے اگایا گیا β-Ga2O3 کا سنگل کرسٹل

2.2 کنارے سے طے شدہ فلم فیڈنگ کا طریقہ
کنارے سے متعین پتلی فلم کو کھانا کھلانے کا طریقہ بڑے رقبے والے Ga2O3 سنگل کرسٹل مواد کی تجارتی پیداوار کے لیے سب سے بڑا دعویدار سمجھا جاتا ہے۔ اس طریقہ کار کا اصول یہ ہے کہ پگھلنے کو کیپلیری سلٹ کے ساتھ ایک سانچے میں رکھا جائے، اور پگھل کیپلیری ایکشن کے ذریعے سانچے تک پہنچ جاتا ہے۔ سب سے اوپر، ایک پتلی فلم بنتی ہے اور تمام سمتوں میں پھیل جاتی ہے جبکہ بیج کرسٹل کے ذریعے کرسٹلائز ہونے کی ترغیب دی جاتی ہے۔ مزید برآں، مولڈ ٹاپ کے کناروں کو فلیکس، ٹیوبوں یا کسی بھی مطلوبہ جیومیٹری میں کرسٹل بنانے کے لیے کنٹرول کیا جا سکتا ہے۔ Ga2O3 کا کنارے سے متعین پتلی فلم فیڈنگ کا طریقہ تیز رفتار ترقی کی شرح اور بڑے قطر فراہم کرتا ہے۔ شکل 3 ایک β-Ga2O3 سنگل کرسٹل کا خاکہ دکھاتا ہے۔ اس کے علاوہ، سائز کے پیمانے کے لحاظ سے، بہترین شفافیت اور یکسانیت کے ساتھ 2-انچ اور 4-انچ β-Ga2O3 سبسٹریٹس کو کمرشلائز کیا گیا ہے، جبکہ 6 انچ سبسٹریٹ کو مستقبل میں کمرشلائزیشن کے لیے تحقیق میں دکھایا گیا ہے۔ حال ہی میں، بڑے سرکلر سنگل کرسٹل بلک مواد بھی (−201) واقفیت کے ساتھ دستیاب ہو گئے ہیں۔ اس کے علاوہ، β-Ga2O3 کنارے سے طے شدہ فلم فیڈنگ کا طریقہ بھی منتقلی دھاتی عناصر کی ڈوپنگ کو فروغ دیتا ہے، جس سے Ga2O3 کی تحقیق اور تیاری ممکن ہو جاتی ہے۔

شکل 3 β-Ga2O3 سنگل کرسٹل کنارے سے طے شدہ فلم فیڈنگ طریقہ سے اگایا جاتا ہے۔

2.3 برج مین طریقہ
برج مین طریقہ میں، کرسٹل ایک کروسیبل میں بنتے ہیں جو درجہ حرارت کے میلان کے ذریعے آہستہ آہستہ منتقل ہوتے ہیں۔ یہ عمل افقی یا عمودی واقفیت میں انجام دیا جا سکتا ہے، عام طور پر گھومنے والی کروسیبل کا استعمال کرتے ہوئے. یہ بات قابل غور ہے کہ یہ طریقہ کرسٹل کے بیج استعمال کر سکتا ہے یا نہیں۔ روایتی برج مین آپریٹرز میں پگھلنے اور کرسٹل کی نشوونما کے عمل کے براہ راست تصور کی کمی ہے اور انہیں اعلیٰ درستگی کے ساتھ درجہ حرارت کو کنٹرول کرنا چاہیے۔ عمودی برج مین طریقہ بنیادی طور پر β-Ga2O3 کی نشوونما کے لیے استعمال ہوتا ہے اور یہ ہوا کے ماحول میں بڑھنے کی صلاحیت کے لیے جانا جاتا ہے۔ عمودی برج مین طریقے سے بڑھنے کے عمل کے دوران، پگھلنے اور کروسیبل کے مجموعی بڑے پیمانے پر نقصان کو 1% سے نیچے رکھا جاتا ہے، جس سے کم سے کم نقصان کے ساتھ بڑے β-Ga2O3 سنگل کرسٹل کی نشوونما ممکن ہو جاتی ہے۔

شکل 4 Bridgeman طریقہ سے اگائے گئے β-Ga2O3 کا سنگل کرسٹل

2.4 فلوٹنگ زون کا طریقہ
فلوٹنگ زون کا طریقہ کروسیبل مواد کے ذریعے کرسٹل آلودگی کے مسئلے کو حل کرتا ہے اور اعلی درجہ حرارت کے خلاف مزاحمت کرنے والے انفراریڈ کروسیبلز سے وابستہ اعلیٰ اخراجات کو کم کرتا ہے۔ اس بڑھوتری کے عمل کے دوران، پگھلنے کو RF ذریعہ کے بجائے چراغ سے گرم کیا جا سکتا ہے، اس طرح نمو کے آلات کی ضروریات کو آسان بنایا جا سکتا ہے۔ اگرچہ فلوٹنگ زون کے طریقہ کار سے اگائے جانے والے β-Ga2O3 کی شکل اور کرسٹل کوالٹی ابھی تک بہترین نہیں ہے، لیکن یہ طریقہ اعلیٰ طہارت β-Ga2O3 کو بجٹ کے موافق سنگل کرسٹل میں بڑھانے کے لیے ایک امید افزا طریقہ کھولتا ہے۔

تصویر 5 β-Ga2O3 سنگل کرسٹل جو تیرتے ہوئے زون کے طریقے سے اگایا جاتا ہے۔