Kilovolt-class Vertical (011) \b{eta}-Ga2O3 Schottky Diodes for High Voltage and High Temperature Applications

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स अर्धचालकों (सेमीकंडक्टर्स) पर निर्भर हैं, जो अविश्वसनीय गति और सटीकता के साथ बिजली को चालू और बंद करने की क्षमता रखते हैं। दशकों से, सिलिकॉन मानक रहा है, लेकिन जैसे-जैसे हमारी दुनिया को छोटे स्थानों में अधिक शक्ति की आवश्यकता हो रही है, सिलिकॉन अपनी भौतिक सीमाओं तक पहुँच रहा है। वैज्ञानिक 'वाइड बैंडगैप सेमीकंडक्टर्स' नामक एक नए वर्ग के पदार्थों की ओर मुड़े हैं, जो बहुत उच्च वोल्टेज और तापमान को संभाल सकते हैं। इनमें से, बीटा-गैलियम ऑक्साइड नामक सामग्री एक विशेष रूप से आशाजनक उम्मीदवार के रूप में उभरी है। यह सिलिकॉन की तुलना में कहीं अधिक मजबूत विद्युत क्षेत्रों को सहन कर सकती है, जो इसे अगली पीढ़ी के पावर ग्रिड, इलेक्ट्रिक वाहनों और औद्योगिक मोटरों के लिए आदर्श बनाती है। हालाँकि, इस सामग्री को वास्तविक दुनिया के उपकरणों में काम करने योग्य बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को एक विशिष्ट समस्या को हल करना होगा: जब ये उपकरण बहुत बड़े हो जाते हैं या उच्च वोल्टेज पर धकेले जाते हैं, तो क्रिस्टल संरचना में सूक्ष्म दोष अक्सर उन्हें समय से पहले विफल कर देते हैं, जिससे करंट लीक होने लगता है और बिजली को रोकने की उनकी क्षमता कम हो जाती है।

आयोवा स्टेट यूनिवर्सिटी और एयर फोर्स रिसर्च लैब के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया प्रकार का पावर स्विच बनाकर इस समस्या को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है, जो उच्च वोल्टेज और उच्च तापमान पर विश्वसनीय रूप से काम करता है। उन्होंने बीटा-गैलियम ऑक्साइड क्रिस्टल के एक विशिष्ट ओरिएंटेशन (अभिविन्यास) पर ध्यान केंद्रित किया, जो स्वाभाविक रूप से उन दोषों से बचता है जो अन्य संस्करणों को प्रभावित करते हैं। इस विशिष्ट दिशा में क्रिस्टल को उगाकर और उपकरण के किनारों के चारों ओर एक विशेष सुरक्षात्मक परत जोड़कर, उन्होंने एक ऐसा डायोड बनाया जो लगभग चार हजार वोल्ट बिजली को रोक सकता है। यह एक बड़ी छलांग है, क्योंकि यह प्रदर्शित करता है कि यह सामग्री उच्च वोल्टेज को रोकने की अपनी क्षमता खोए बिना व्यावसायिक उपयोग के लिए आवश्यक आकार तक बढ़ (स्केल अप) सकती है।

शोधकर्ताओं ने इस विशेष बीटा-गैलियम ऑक्साइड क्रिस्टल की एक मोटी परत को एक सबस्ट्रेट पर उगाकर शुरुआत की, जिससे तीस माइक्रोन मीटर मोटा एक 'ड्रिफ्ट लेयर' तैयार हुआ। यह परत मुख्य अवरोध के रूप में कार्य करती है जो स्विच बंद होने पर बिजली के पीछे की ओर बहने से रोकती है। किसी अन्य क्रिस्टल ओरिएंटेशन का उपयोग करते हुए पिछले कई प्रयासों में, अवांछित अशुद्धियाँ और संरचनात्मक दोष बिजली के बहने के लिए मार्ग बना देते थे, जिससे उपकरण कम वोल्टेज पर विफल हो जाता था। टीम ने (011) ओरिएंटेशन को इसलिए चुना क्योंकि इस संस्करण में क्रिस्टल के दोष सतह के समानांतर चलते हैं न कि सामग्री के माध्यम से सीधे कटते हैं, जिससे प्रभावी रूप से उन रास्तों को हटाया जा सके जिनसे आमतौर पर लीकेज करंट यात्रा करता है। इसका परीक्षण करने के लिए, उन्होंने एक सौ से तीन सौ माइक्रोनमीटर व्यास वाले विभिन्न आकारों के डायोड बनाए, और उनकी तुलना बिना किसी विशेष एज प्रोटेक्शन (किनारे की सुरक्षा) वाले उपकरणों से की।

प्रदर्शन को और बेहतर बनाने के लिए, टीम ने एक 'फील्ड प्लेट' जोड़ी, जो अनिवार्य रूप से इन्सुलेटिंग सामग्रियों के एक स्टैक द्वारा ढकी हुई एक धातु का विस्तार है। यह संरचना उपकरण के किनारे पर बनने वाले तीव्र विद्युत क्षेत्र को फैला देती है, जिससे यह सामग्री को तोड़ने के लिए इतना केंद्रित नहीं हो पाता। उन्होंने टाइटेनियम डाइऑक्साइड और एल्युमीनियम ऑक्साइड के संयोजन का उपयोग किया, जिन्हें उच्च विद्युत तनाव को संभालने की उनकी क्षमता के लिए चुना गया था। जब उन्होंने इन उपकरणों का परीक्षण किया, तो परिणाम चौंकाने वाले थे। बिना फील्ड प्लेट वाले डायोड लगभग तीन हजार वोल्ट तक रोक सकते थे, लेकिन फील्ड प्लेट वाले डायोड तीन हजार नौ सौ से चार हजार एक सौ साठ वोल्ट के बीच मजबूती से टिके रहे। महत्वपूर्ण रूप से, यह उच्च प्रदर्शन डायोड के आकार के बावजूद सुसंगत रहा, जिससे सिद्ध हुआ कि सामग्री और डिज़ाइन को बड़े पावर सिस्टम के लिए स्केल किया जा सकता है।

टीम यह भी जानना चाहती थी कि क्या ये उपकरण गर्म वातावरण में जीवित रह सकते हैं, जो इलेक्ट्रिक वाहनों या जेट इंजनों के भीतर इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक सामान्य आवश्यकता है। उन्होंने डायोड को एक सौ पचास डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया, एक ऐसा तापमान जो कई अन्य हाई-वोल्टेज उपकरणों को करंट लीक करने और विफल होने के लिए मजबूर कर देता है। इस गर्मी में भी, डायोड ने लगभग बिना किसी लीकेज के बिजली को रोकने की अपनी क्षमता बनाए रखी। वे 'ऑफ स्टेट' में करंट को रोकने में 'ऑन स्टेट' की तुलना में एक हजार अरब गुना बेहतर थे, और यह अनुपात तापमान बढ़ने पर भी स्थिर रहा। एकमात्र सीमा जो उन्हें इन गर्म परीक्षणों के दौरान मिली, वह यह थी कि उपकरण के परीक्षण से पहले उसके आसपास की हवा टूटने लगी, जो एक संकेत है कि यदि वैक्यूम या तरल पदार्थ में परीक्षण किया जाए, तो उपकरण स्वयं और भी उच्च वोल्टेज को संभालने में सक्षम है।

कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से, शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि विद्युत क्षेत्र को ठीक उसी तरह प्रबंधित किया जा रहा था जैसा कि वे चाहते थे। सिमुलेशन ने दिखाया कि फील्ड प्लेट ने उपकरण के किनारों पर पीक इलेक्ट्रिक स्ट्रेस को सफलतापूर्वक कम कर दिया, जिससे सामग्री अपने सैद्धांतिक स्तर तक पहुँच सकी। हालांकि टाइटेनियम डाइऑक्साइड की इन्सुलेटिंग परत ने बहुत उच्च क्षेत्रों पर तनाव के लक्षण दिखाए, लेकिन समग्र डिजाइन ने सिद्ध किया कि विशेष क्रिस्टल ओरिएंटेशन और फील्ड प्लेट का संयोजन एक मजबूत प्रणाली बनाता है। अध्ययन में कोई भी प्रमाण नहीं मिला कि बड़े डायोड छोटे डायोड की तुलना में खराब प्रदर्शन कर रहे थे, जो कि विनिर्माण के लिए एक महत्वपूर्ण खोज है। यह सुझाव देता है कि इंजीनियर इस सामग्री का उपयोग करके बहुत बड़े पावर स्विच बना सकते हैं बिना इस चिंता के कि बढ़ा हुआ आकार नए विफलता बिंदुओं को पेश करेगा।

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि क्रिस्टल के ओरिएंटेशन को सावधानीपूर्वक चुनकर और विद्युत क्षेत्रों को प्रबंधित करने के लिए स्मार्ट इंजीनियरिंग का उपयोग करके, यह संभव है कि ऐसे पावर स्विच बनाए जाएं जो अविश्वसनीय रूप से मजबूत और ताप-प्रतिरोधी हों। इस अध्ययन में निर्मित डायोड किलोवोल्ट रेंज के वोल्टेज को संभाल सकते हैं और उन तापमानों पर काम कर सकते हैं जो कई अन्य तकनीकों को अक्षम कर देंगे। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह सामग्री उस तापमान-निर्भर लीकेज से ग्रस्त नहीं होती है जिसने बीटा-गैलियम ऑक्साइड के अन्य संस्करणों को परेशान किया है। इसके बजाय, ये उपकरण अपनी अखंडता बनाए रखते हैं, जो भविष्य के लिए अधिक कुशल और शक्तिशाली इलेक्ट्रॉनिक्स की ओर एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करते हैं। निष्कर्ष बताते हैं कि इन उच्च-शक्ति वाले उपकरणों के व्यावसायीकरण का मार्ग अब स्पष्ट हो रहा है, बशर्ते कि विनिर्माण प्रक्रियाएं इस विशिष्ट, दोष-प्रतिरोधी ओरिएंटेशन के साथ क्रिस्टल का उत्पादन जारी रख सकें।