मई 2002 में, लेस्टर एफ. ईस्टमैन और उमेश के. मिश्रा ने उस समय के पावर सेमीकंडक्टर्स के क्षेत्र में एक दीर्घकालिक विकास प्रौद्योगिकी के बारे में लिखा था:गैलियम नाइट्राइड (GaN)।  
उस लेख में, उन्होंने तत्कालीन नवविकसित ब्रॉडबैंड वायरलेस नेटवर्क, रडार और पावर ग्रिड के लिए पावर स्विचिंग अनुप्रयोगों में गैलियम नाइट्राइड की संभावनाओं के बारे में आशावाद व्यक्त किया। उन्होंने GaN उपकरणों को भी संदर्भित किया है।"अब तक का सबसे मजबूत ट्रांजिस्टर"।  
वे सही हैं। GaN का व्यापक बैंडगैप (बंधे हुए इलेक्ट्रॉनों को तोड़ने और चालन को सुगम बनाने के लिए आवश्यक ऊर्जा) और अन्य गुण हमें इस सामग्री की उच्च विद्युत क्षेत्र सहनशीलता का लाभ उठाने की अनुमति देते हैं, जिससे अभूतपूर्व प्रदर्शन वाले उपकरण बनाना संभव हो जाता है।  
आज, GaN सॉलिड-स्टेट RF पावर अनुप्रयोगों में निर्विवाद रूप से अग्रणी है, जो रडार और 5G वायरलेस में पहले से ही दिखाई दे रहा है, और जल्द ही इलेक्ट्रिक वाहनों में उपयोग होने वाले पावर इनवर्टर में आम हो जाएगा। अब, आप GaN उपकरणों पर आधारित USB चार्जर भी खरीद सकते हैं, जो अपने कॉम्पैक्ट आकार में काफी उच्च पावर स्तर प्रदान करते हैं।  
हालांकि, अगर ऐसा है भी, तो भी हम यह सवाल पूछते हैं, क्या GaN से बेहतर कुछ है? क्या RF एम्पलीफायर को और अधिक शक्तिशाली और कुशल बनाने के लिए कुछ किया जा सकता है? क्या पावर इलेक्ट्रॉनिक्स को और भी छोटा करने के लिए कुछ किया जा सकता है, जिससे विमानों और कारों पर भार और कम हो सके? क्या हम ऐसे पदार्थ खोज सकते हैं जिनमें बड़े बैंड गैप हों और फिर भी वे बिजली का संचालन कर सकें?  
दरअसल, इसका जवाब हां है।  
वास्तव में, बाज़ार में कई बैंड गैप वाले पदार्थ मौजूद हैं, लेकिन क्वांटम यांत्रिकी की विशिष्टता के कारण उनमें से अधिकांश को अर्धचालक के रूप में उपयोग करना मुश्किल है। हालांकि, एक उपयुक्त विकल्प मौजूद है: पारदर्शी चालक ऑक्साइड गैलियम ऑक्साइड (Ga2O3)।  
लगभग 5 eV के व्यापक बैंडगैप के साथ, गैलियम ऑक्साइड GaN (3.4eV) से बहुत आगे है, और सिलिकॉन (1.1eV) की तुलना में तो यह बढ़त मैराथन जितनी बड़ी है। हम जानते हैं कि हीरे और एल्युमीनियम नाइट्राइड में भी बड़े बैंडगैप होते हैं, लेकिन उनमें Ga2O3 के गुण नहीं होते, जो एक सौभाग्यशाली गुण है जिसका उपयोग सस्ते लेकिन शक्तिशाली उपकरण बनाने में किया जा सकता है।  
किसी पदार्थ के लिए केवल व्यापक बैंडगैप होना ही पर्याप्त नहीं है, क्योंकि यदि ऐसा होता तो सभी डाइइलेक्ट्रिक्स और सिरेमिक्स में यह बैंडगैप होता, यही कारण है कि उनका उपयोग केवल इंसुलेटर के रूप में ही किया जा सकता है। लेकिन गैलियम ऑक्साइड में गुणों का एक अनूठा संयोजन है जो इसे पावर स्विच और आरएफ इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक उपयुक्त पदार्थ बना सकता है।  
   

चित्र: आईईईई स्पेक्ट्रम स्रोत: "पावर इलेक्ट्रॉनिक्स अनुप्रयोगों के लिए Ga2O3 का कार्यान्वयन" ग्रेग एच. जेसेन एट अल द्वारा 75वें वार्षिक डिवाइस रिसर्च सम्मेलन (डीआरसी) में प्रस्तुत किया गया।

अर्धचालकों के लिए महत्वपूर्ण पाँच गुणों में से, बीटा-गैलियम ऑक्साइड का सबसे बड़ा लाभ उच्च क्रांतिक विद्युत क्षेत्र शक्ति है। इससे उच्च-वोल्टेज स्विच बनाने में मदद मिल सकती है और संभवतः इन पर आधारित शक्तिशाली आरएफ उपकरण डिजाइन किए जा सकते हैं। हालांकि, बीटा-गैलियम ऑक्साइड की सबसे बड़ी कमी इसकी कम तापीय चालकता है, जिसका अर्थ है कि उपकरण के अंदर ऊष्मा फंसी रह सकती है।  
गैलियम ऑक्साइड का एक और अच्छा गुण यह है कि डोपिंग नामक प्रक्रिया द्वारा इसमें आवेश वाहकों को जोड़कर इसे अधिक सुचालक बनाया जा सकता है। डोपिंग में अर्धचालक में आवेश वाहकों की सांद्रता को नियंत्रित करने के लिए क्रिस्टल में नियंत्रित मात्रा में अशुद्धियाँ मिलाई जाती हैं। उदाहरण के लिए, सिलिकॉन में, आयन प्रत्यारोपण और उसके बाद एनीलिंग द्वारा क्रिस्टल को फॉस्फोरस (मुक्त इलेक्ट्रॉन जोड़कर) या बोरॉन (उन्हें घटाकर) से डोप किया जा सकता है, जिससे आवेश इसके भीतर स्वतंत्र रूप से गति कर सकते हैं। Ga2O3 में भी इसी प्रकार इलेक्ट्रॉन जोड़े जाते हैं।  
लेकिन अगर आप इस दृष्टिकोण को अन्य वाइड-बैंडगैप ऑक्साइड के साथ आजमाने की कोशिश करते हैं, तो अंततः क्रिस्टल के संभावित रूप से बिखरने और जाली में ऐसे धब्बे बनने की संभावना रहती है जहां आवेश फंस जाते हैं।  
गैलियम ऑक्साइड में मानक प्रक्रियाओं (जिन्हें आयन इम्प्लांटेशन कहा जाता है) के माध्यम से डोपेंट मिलाने की अनुकूलता, साथ ही एपिटैक्सियल वृद्धि (अतिरिक्त क्रिस्टल जमा करना) के दौरान डोपेंट मिलाने की क्षमता, हमें कई स्थापित व्यावसायिक लिथोग्राफी और प्रसंस्करण तकनीकों का लाभ उठाने की अनुमति देती है। इन विधियों से ट्रांजिस्टर के आयामों को नैनोमीटर में सटीक रूप से परिभाषित करना और विभिन्न प्रकार के उपकरण टोपोलॉजी बनाना अपेक्षाकृत आसान हो जाता है। हालांकि, व्यापक बैंडगैप वाले अन्य अर्धचालक पदार्थों में यह अविश्वसनीय रूप से उपयोगी विशेषता नहीं होती है। यहां तक ​​कि GaN भी ऐसा नहीं कर सकता।  
गैलियम ऑक्साइड का एक और लाभ यह है कि क्रिस्टलीय Ga2O3 के बड़े सिलिकॉन वेफर्स का निर्माण करना वास्तव में बहुत आसान है। हालांकि Ga2O3 क्रिस्टल कई प्रकार के होते हैं, लेकिन सबसे स्थिर को β कहा जाता है, उसके बाद ε और α आते हैं। इनमें से, β-Ga2O3 पर सबसे अधिक शोध हुआ है, मुख्य रूप से जापान के त्सुकुबा में स्थित नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ मैटेरियल्स साइंस और बर्लिन में स्थित लाइबनिज़-इंस्टीट्यूट फर क्रिस्टलज़ुचटुंग जैसे संस्थानों के प्रयासों के कारण।  
β-Ga2O3 का सबसे आकर्षक पहलू इसकी ऊष्मीय स्थिरता है, जिसके कारण इसे सिलिकॉन वेफर्स के निर्माण के लिए चोक्रालस्की विधि सहित कई व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली तकनीकों से निर्मित किया जा सकता है। हम एज-डिफाइंड, फिल्म-फेड नामक क्रिस्टल वृद्धि तकनीक का भी उपयोग कर सकते हैं। आजकल, क्रिस्टल को अत्यधिक स्केलेबल वर्टिकल ब्रिजमैन-स्टॉकबर्गर तकनीक का उपयोग करके भी उगाया जा सकता है।  
अन्य वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टरों से यह स्थिति कितनी अलग है, इसे शब्दों में बयां करना मुश्किल है। हालांकि, वर्तमान परिप्रेक्ष्य में, सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) को छोड़कर, अधिकांश उभरते वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टरों के पास बड़े आकार के सबस्ट्रेट नहीं होते जिन पर बड़े क्रिस्टल उगाए जा सकें। इसका मतलब है कि उन्हें किसी अन्य पदार्थ की डिस्क पर उगाना पड़ता है, जिसकी लागत अधिक होती है। उदाहरण के लिए, गैलियम नाइट्राइड को आमतौर पर सिलिकॉन, सिलिकॉन कार्बाइड या नीलम के सबस्ट्रेट पर एक जटिल प्रक्रिया द्वारा उगाया जाता है। लेकिन इन सबस्ट्रेट की क्रिस्टल संरचना स्पष्ट रूप से GaN से भिन्न होती है, और यह अंतर सबस्ट्रेट और GaN के बीच "लैटिस मिसमैच" पैदा कर सकता है, जिसके परिणामस्वरूप बड़ी संख्या में दोष उत्पन्न होते हैं। इन दोषों के कारण उत्पादित उपकरणों में कई समस्याएं उत्पन्न हुईं। चूंकि Ga2O3 स्वयं ही सबस्ट्रेट के रूप में कार्य करता है, इसलिए इसमें कोई मिसमैच नहीं होता और इसलिए कोई दोष भी नहीं होता। जापान की नोवेल क्रिस्टल टेक्नोलॉजी ने 150 मिमी β-Ga2O3 का प्रदर्शन किया है।  
जापान सूचना एवं संचार प्रौद्योगिकी संस्थान (एनआईसीटी) मेंमसाताका हिगाशिवकीपावर स्विचिंग अनुप्रयोगों में β-Ga2O3 की क्षमता को सबसे पहले हिगाशिवाकी ने ही पहचाना था। 2012 में, उनके शोध समूह द्वारा पहले सिंगल-क्रिस्टल β-Ga2O3 ट्रांजिस्टर की रिपोर्ट के बाद, उन्होंने पूरे पावर डिवाइस क्षेत्र को चौंका दिया। यह उत्पाद कितना बेहतरीन है? उदाहरण के लिए, पावर ट्रांजिस्टर की प्रमुख विशेषताओं में से एक ब्रेकडाउन वोल्टेज है, जो एक महत्वपूर्ण बिंदु है जिस पर अर्धचालक की धारा प्रवाह को रोकने की क्षमता समाप्त हो जाती है। हिगाशिवाकी द्वारा प्रस्तुत किए गए इस अग्रणी ट्रांजिस्टर का ब्रेकडाउन वोल्टेज 250V से अधिक है। तुलना के लिए, GaN को यह उपलब्धि हासिल करने में लगभग दो दशक लग गए।  
अपने मौलिक कार्य में, हिगाशिवाकी ने बताया कि उन्होंने उच्च क्रांतिक विद्युत क्षेत्र क्षमता वाली सामग्री का उपयोग करके उपकरण की बिजली हानि को भी काफी हद तक कम कर दिया। यह विशेषता, जिसे Ec के नाम से जाना जाता है, गैलियम ऑक्साइड की असली महाशक्ति है।  
सरल शब्दों में कहें तो, यदि आप किसी पदार्थ को दो चालकों के बीच रखते हैं और वोल्टेज बढ़ाते हैं, तो Ec वह विद्युत क्षेत्र है जिस पर पदार्थ विद्युत का संचालन शुरू कर देता है। कई बार, यह वोल्टेज विनाशकारी परिणाम ला सकता है। सिलिकॉन की क्रांतिक क्षेत्र शक्ति आमतौर पर सैकड़ों किलोवोल्ट प्रति सेंटीमीटर में मापी जाती है, जबकि Ga2O3 की क्रांतिक क्षेत्र शक्ति 8 मेगावोल्ट प्रति सेंटीमीटर होती है।  
 

चित्र: वायु सेना अनुसंधान प्रयोगशाला

उच्च-वोल्टेज का हीरो: ऊपर चित्रित यह गैलियम ऑक्साइड ट्रांजिस्टर (जिसे ऊपर दो आवर्धन (ए और बी) और अनुप्रस्थ काट (सी) में दिखाया गया है) मात्र 600 नैनोमीटर के भीतर 200 वोल्ट से अधिक वोल्टेज बनाए रखता है।

आदर्श पावर स्विचिंग ट्रांजिस्टर के बारे में सोचते समय, बहुत उच्च E होना इसकी सबसे बड़ी खूबियों में से एक है। आदर्श रूप से, डिवाइस दो अवस्थाओं के बीच तुरंत स्विच कर सकता है: हमेशा चालू (बिना प्रतिरोध के चालन) और हमेशा बंद (बिल्कुल भी चालन नहीं)। इन दोनों चरम सीमाओं के लिए डिवाइस की ज्यामिति बहुत अलग होती है। बंद अवस्था के लिए, ट्रांजिस्टर के सोर्स और ड्रेन के बीच एक मोटी परत लगानी पड़ती है ताकि चालन को रोका जा सके और उच्च वोल्टेज को ब्लॉक किया जा सके। चालू अवस्था के लिए, एक अत्यंत पतले क्षेत्र की आवश्यकता होती है ताकि उसमें कोई प्रतिरोध न हो।  
बेशक, दोनों चीजें एक साथ नहीं हो सकतीं। पदार्थ की क्रांतिक विद्युत क्षेत्र शक्ति यह निर्धारित करती है कि वास्तव में कितने पतले क्षेत्र को बंद रखा जा सकता है।  
कम आवृत्ति वाले पावर स्विचिंग सेमीकंडक्टरों का प्रमुख सूचक बालिगा फिगर ऑफ मेरिट कहलाता है, जिसका नाम IEEE मेडल ऑफ ऑनर प्राप्तकर्ता बी. जयंत बालिगा के नाम पर रखा गया है। मूल रूप से, यह दर्शाता है कि उच्च वोल्टेज पर डिवाइस का आउटपुट इनपुट सिग्नल के विवरण को कितनी अच्छी तरह से पुन: उत्पन्न करता है। किलोहर्ट्ज़ रेंज तक की आवृत्तियों पर स्विच के रूप में कार्य करने वाले ट्रांजिस्टरों के लिए यह एक बहुत ही महत्वपूर्ण गुण है। ऐसे उपकरण मल्टी-किलोवोल्ट सबस्टेशन उपकरणों, मेडिकल इमेजिंग के लिए उच्च-ऊर्जा फोटॉन जनरेटरों और इलेक्ट्रिक वाहनों और औद्योगिक मोटर ड्राइव के लिए पावर इनवर्टरों में पाए जाते हैं।  
इन सभी अनुप्रयोगों और अन्य कई अनुप्रयोगों के लिए, Ga2O3 के प्राकृतिक लाभ हैं। इन आवृत्तियों पर, गुणवत्ता कारक क्रांतिक विद्युत क्षेत्र के घन के समानुपाती होता है। इतना उच्च E c एक बेहतर गुणवत्ता मानक को दर्शाता है।  
इसके पीछे गणितीय आधार यह है कि यह स्विच अपना अधिकांश समय या तो पूरी तरह चालू या पूरी तरह बंद अवस्था में बिताता है, और इन दोनों के बीच स्विच करने में बहुत कम समय लगता है। इसलिए अधिकांश बिजली की हानि केवल प्रतिरोधक से उपकरण के चालू होने तक की धारा में होती है। जब Ec अधिक होता है, तो पतले उपकरणों का उपयोग किया जा सकता है, जिसका अर्थ है कम प्रतिरोध।  
हिगाशिवाकी के काम का संदेश सीधा-सादा है: उच्च विद्युत क्षेत्र की प्रबलता का उपयोग करके उच्च वोल्टेज स्विचिंग हासिल की जा सकती है, जिसमें कम आवृत्तियों पर बिजली की हानि बहुत कम होती है। अन्य शोध समूहों ने भी जल्द ही इस संदेश को समझ लिया। 2013 तक, शोधकर्ताओं ने 370V के ब्रेकडाउन वोल्टेज वाले मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर (MOSFET) का प्रदर्शन किया। 2016 में, मैन होई वोंग, जो उस समय NICT के हिगाशिवाकी समूह का हिस्सा थे, ने वोल्टेज को 750V से ऊपर ले जाने के लिए फील्ड प्लेटिंग नामक एक अतिरिक्त संरचना का उपयोग किया। इन उपकरणों में, Ga2O3 द्वारा उच्च परिचालन वोल्टेज प्राप्त करने की सापेक्षिक आसानी वास्तव में उल्लेखनीय है। सामग्रियों पर शोध ने कुछ ही वर्षों में बहुत प्रगति की है, जबकि GaN लीफ को इसमें दशकों लग गए।  
क्या Ga2O3 तीव्र स्विचिंग पावर सप्लाई अनुप्रयोगों में उपयोगी होगा? यह एक और महत्वपूर्ण बिंदु है जिस पर सभी का ध्यान जाता है। यह बताना आवश्यक है कि Ec भी यहाँ बहुत महत्वपूर्ण है और Ga2O3 के लिए बड़े फायदे ला सकता है।  
उच्च आवृत्तियों (जैसे 100 हर्ट्ज़ से 1 मेगाहर्ट्ज) पर, किसी उपकरण के चालू और बंद होने में लगने वाला समय आनुपातिक रूप से बढ़ जाता है। स्विचिंग के दौरान होने वाली हानियाँ उपकरण के प्रतिरोध और ट्रांजिस्टर गेट पर स्विच करने के लिए आवश्यक आवेश की मात्रा का गुणनफल होती हैं। गणितीय रूप से, इसका अर्थ यह है कि कम आवृत्तियों पर हानियाँ क्रांतिक विद्युत क्षेत्र की तीव्रता के वर्ग के समानुपाती होती हैं, घन के नहीं।  
    चित्र: वायु सेना अनुसंधान प्रयोगशाला  
ऊपर दी गई तस्वीर में गैलियम ऑक्साइड दिखाया गया है।आरएफ अनुप्रयोग की क्षमता,इस प्रारंभिक गैलियम ऑक्साइड आरएफ ट्रांजिस्टर का एक छोटा सा हिस्सा (आंतरिक) इसके संचालन के लिए महत्वपूर्ण था। उपकरण में परजीवी प्रतिरोध को कम करने से शक्ति और आवृत्ति में वृद्धि हो सकती है।  
आप पाएंगे कि मोबाइल फोन चार्जर जैसे सरल उपकरण में भी, तेज़ पावर स्विचिंग से अधिक लाभ मिलते हैं। एक स्विचिंग पावर सप्लाई पहले वॉल प्लग से प्राप्त AC वोल्टेज को रेक्टिफाई करती है और फिर उसे उच्च-आवृत्ति वाले सिग्नल में बदल देती है। ट्रांसफार्मर वोल्टेज को आवश्यक स्तर तक कम करता है और अंत में सिग्नल को रेक्टिफाई और फ़िल्टर किया जाता है। सिस्टम के सबसे बड़े हिस्से ट्रांसफार्मर और अन्य निष्क्रिय घटक होते हैं, और आवृत्ति बढ़ने पर ही छोटे घटकों का उपयोग किया जा सकता है। यदि आपको उच्च आवृत्तियाँ चाहिए, तो व्यापक बैंड गैप और उच्च क्रांतिक विद्युत क्षेत्र वाला अर्धचालक आपको इसे अधिक कुशलता से प्राप्त करने में मदद करेगा, साथ ही ऊष्मा अपव्यय को भी सरल बनाएगा।  
उदाहरण के लिए, 20kHz पर स्विच करने वाला 1200V सिलिकॉन इन्वर्टर लगभग 3kW बिजली प्रदान कर सकता है। हालांकि, 150kHz पर स्विच करके, समान बिजली देने वाला सिलिकॉन कार्बाइड इन्वर्टर एक तिहाई आकार के पैकेज में उच्च तापमान पर काम कर सकता है। तुलना के लिए, Ga2O3-आधारित इन्वर्टर मेगाहर्ट्ज़ के करीब आवृत्तियों पर काम कर सकते हैं और आकार में आधे हो सकते हैं (हालांकि इसके लिए चुंबकीय घटकों की आवश्यकता होगी जिनका अभी तक आविष्कार नहीं हुआ है)।  
संक्षेप में, Ga2O3 जैसे पदार्थों के वास्तविक इलेक्ट्रॉनिक गुण उनकी क्रांतिक विद्युत क्षेत्र शक्ति का पूर्ण उपयोग करने से प्राप्त होते हैं। लेकिन वह मान वास्तव में क्या है? 2015 तक, किसी भी समूह ने इस पदार्थ द्वारा प्राप्त की जा सकने वाली क्षेत्र शक्तियों का वास्तविक मापन नहीं किया था। अन्य उपकरणों की तरह, प्रारंभिक परिणाम सैद्धांतिक सीमाओं से बहुत दूर हैं।  
मेरे सहकर्मी और मैं ओहियो के राइट-पैटर्सन वायु सेना अड्डे पर स्थित वायु सेना अनुसंधान प्रयोगशाला में काम करते हुए इस चुनौती का सामना कर रहे हैं। पहली समस्या जो हमें मिली वह यह थी कि इतनी उच्च क्षेत्र शक्ति वाले पदार्थों से निर्मित कोई भी उपकरण मौजूदा परीक्षण उपकरणों की सीमाओं को पार कर सकता है। क्योंकि सिद्धांत रूप में, 2 माइक्रोन के पदार्थ 1.5kV से अधिक विद्युत क्षेत्र को अवरुद्ध कर सकते हैं! इसलिए हमने एक साधारण MOSFET बनाया जिसकी ज्यामिति को वोल्टेज कम करने के लिए छोटा कर दिया गया। गेट और ड्रेन के बीच का वह अंतर जहाँ विद्युत क्षेत्र उच्चतम होता है, केवल 600 नैनोमीटर है। यह आंशिक रूप से पीक E c को मापना आसान बनाने के लिए है, लेकिन इसलिए भी क्योंकि हम उपकरण का परीक्षण RF आवृत्तियों पर करना चाहते हैं, जो बड़े उच्च वोल्टेज डिज़ाइनों में संभव नहीं है।  
इस प्रारंभिक प्रदर्शन में, ट्रांजिस्टर 230V का सामना करने में सक्षम थे, जो RF परीक्षण उपकरण की सीमा है। उत्पन्न औसत विद्युत क्षेत्र कम से कम 3.8 MV/cm है, और सिमुलेशन से पता चलता है कि अधिकतम आंतरिक विद्युत क्षेत्र कम से कम 5.3 MV/cm है। (हम FET में कभी भी पूर्ण 8MV/cm प्राप्त नहीं कर पाएंगे) यह पहला प्रायोगिक प्रदर्शन है जिससे पता चलता है कि Ga2O3 का सैद्धांतिक विद्युत क्षेत्र GaN (लगभग 3.3MV/cm) से अधिक है। दूसरे शब्दों में, 600V के रेटेड ऑपरेटिंग वोल्टेज वाले GaN पावर ट्रांजिस्टर का गेट-टू-ड्रेन गैप आमतौर पर लगभग 15 से 20 µm होता है, और हमारी तरंगदैर्ध्य 600nm है।  
इस निष्कर्ष के बाद, पावर स्विचिंग ट्रांजिस्टरों का विकास आश्चर्यजनक गति से हुआ। 2017 में, हमने 600V से अधिक ब्रेकडाउन वोल्टेज वाले MOSFETs का निर्माण किया। 2018 की शुरुआत में, विभिन्न ज्यामितियों वाले MOSFETs का उपयोग करके प्राप्त उच्च-आवृत्ति हानि मान सिलिकॉन की सैद्धांतिक सीमाओं के बराबर या उससे अधिक थे। इतना ही नहीं, अब हमारे पास अगले कुछ वर्षों में नवीनतम GaN मानों के बराबर या उससे अधिक मान प्राप्त करने का स्पष्ट मार्ग है।  
    फोटो: नोवेल क्रिस्टल टेक्नोलॉजी  
कई वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टरों के विपरीत, गैलियम ऑक्साइड वेफर्स को सिलिकॉन वेफर्स के समान प्रक्रिया का उपयोग करके बनाया जा सकता है। इसलिए, इसका मतलब यह है कि दोष-रहित उपकरण अपेक्षाकृत सस्ते हो सकते हैं।  
2015 में जब हमने पावर स्विचों के E का मापन किया, तो हमने यह भी अनुमान लगाया कि Ga2O3 छोटे उपकरणों में उच्च विद्युत क्षेत्र की अनुमति देकर RF परिपथों में भी इसी प्रकार की सफलता प्राप्त कर सकता है। लेकिन उस समय, कुछ महत्वपूर्ण जानकारी अनुपलब्ध थी—विद्युत क्षेत्र के फलन के रूप में इस पदार्थ में इलेक्ट्रॉन वेग पर कोई प्रकाशित डेटा उपलब्ध नहीं था।  
रेडियो आवृत्ति संकेतों को प्रवर्धित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले ट्रांजिस्टरों में इलेक्ट्रॉन की गति विशेष रूप से महत्वपूर्ण होती है। आरएफ में, उच्च शक्ति उत्पादन और उच्च आवृत्ति लक्ष्य होते हैं, और जॉनसन का गुणनफल (जेएफओएम) इन लक्ष्यों को संक्षेप में प्रस्तुत करता है। जेएफओएम कहता है कि एक आरएफ ट्रांजिस्टर की शक्ति और आवृत्ति का गुणनफल अर्धचालक पदार्थ में आवेश वाहकों के अधिकतम वेग और Ec के गुणनफल के समानुपाती होता है। यहाँ हमें जो मुख्य बात जानने की आवश्यकता है वह यह है कि एक आरएफ ट्रांजिस्टर में प्रवर्धन तभी प्राप्त होता है जब वाहक आरएफ तरंगरूप की ध्रुवीयता बदलने से पहले स्रोत से ड्रेन तक पूर्ण प्रवाह करने में सक्षम हों। (वह उच्चतम आवृत्ति जिस पर यह होता है, इकाई धारा लाभ आवृत्ति, या f T कहलाती है।)
एक बार फिर, Ga2O3 का उच्च क्रांतिक विद्युत क्षेत्र महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है क्योंकि आप उस क्रांतिक दूरी को कम कर सकते हैं लेकिन फिर भी इलेक्ट्रॉनों को उनकी अधिकतम गति तक त्वरित करने के लिए एक मजबूत विद्युत क्षेत्र प्रदान कर सकते हैं।  
AFRL में हमने 2017 में पहला सबमाइक्रोन गैलियम ऑक्साइड RF MOSFET प्रदर्शित करने में सफलता प्राप्त की। इन उपकरणों ने प्रभावशाली प्रदर्शन किया, हालांकि ये GaN श्रेणी में शीर्ष पर नहीं हैं। इनकी यूनिट करंट गेन आवृत्ति 3GHz है, अधिकतम दोलन आवृत्ति 13GHz है और 800MHz पर आउटपुट पावर घनत्व 230 mW/mm है। तब से, AFRL का पल्स RF पावर आउटपुट घनत्व 1GHz पर 500mW/mm से अधिक हो गया है, और अधिकतम दोलन आवृत्ति 20GHz के करीब पहुंच गई है।  
इससे भी अधिक उत्साहजनक बात यह है कि लगभग उसी समय, कृष्णान्दु घोष और उत्तम सिंगिसेट्टी (बफैलो विश्वविद्यालय) द्वारा किए गए सैद्धांतिक गणनाओं से पता चला कि गैलियम ऑक्साइड के जेएफओएम गैलियम नाइट्राइड की तुलना में काफी बेहतर हैं।  
2017 में RF क्षमताओं के पहले प्रदर्शन के बाद से, RF Ga2O3 तकनीक ने अभूतपूर्व प्रगति की है, पहले श्रीराम कृष्णमूर्ति और फिर ओहियो स्टेट यूनिवर्सिटी में सिद्धार्थ राजन की टीम ने नई और बेहतर डोपिंग तकनीकों का प्रदर्शन किया। ये तकनीकें सिलिकॉन से ली गई हैं, इसलिए जिस पदार्थ की शीट में चालन होता है, उसमें परिणामी प्रतिरोध बहुत कम होता है, लगभग 300 ओम प्रति वर्ग। (हाँ, यह सही इकाई है।) यह गैलियम नाइट्राइड उपकरणों में पाए जाने वाले प्रतिरोध के बराबर है। इस उपलब्धि को प्राप्त करने के तुरंत बाद, राजन और कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सांता बारबरा के शोधकर्ताओं ने स्वतंत्र रूप से Ga2O3 को उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता ट्रांजिस्टर (HEMT) के रूप में प्रदर्शित किया।
इस प्रकार के उपकरण आमतौर पर गैलियम आर्सेनाइड या गैलियम नाइट्राइड से बने होते हैं, और रेडियो आवृत्तियाँ मोबाइल फोन और सैटेलाइट टीवी रिसीवर दोनों के लिए महत्वपूर्ण हैं। ऐसे उपकरण दो अलग-अलग बैंड गैप वाले दो अर्धचालकों के बीच बनने वाले एक तीक्ष्ण इंटरफ़ेस पर बनने वाले द्वि-आयामी इलेक्ट्रॉन गैस के माध्यम से विद्युत संचारित करते हैं। इस मामले में, यह एल्यूमीनियम गैलियम ऑक्साइड और गैलियम ऑक्साइड है, जो स्मार्टफोन में उपयोग की जाने वाली व्यावसायिक एल्यूमीनियम गैलियम आर्सेनाइड/गैलियम आर्सेनाइड HEMT तकनीक के बिल्कुल समान है। ये महत्वपूर्ण आविष्कार RF उपकरणों के ऊर्ध्वाधर और क्षैतिज विस्तार का मार्ग प्रशस्त करते हैं।  
हालांकि ये प्रगति उत्साहजनक है, लेकिन Ga2O3 हर RF अनुप्रयोग में गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) या GaN को चुनौती देने में सक्षम नहीं होगा। एक मूलभूत रूप से अच्छे स्विच के रूप में, हम उम्मीद करते हैं कि क्लास D, E या F जैसे स्विच-मोड एम्पलीफायरों में इसके लाभ होंगे। इन उपकरणों में, इस उपकरण का ऑन-रेज़िस्टेंस बहुत कम है और यह कम करंट और उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज विशेषताओं का उपयोग करके बहुत उच्च दक्षता प्राप्त कर सकता है। दूसरी ओर, कम प्रतिबाधा और उच्च करंट की आवश्यकता वाले उपकरण अनुप्रयोगों में GaN को प्राथमिकता दी जाएगी, मुख्य रूप से इसकी उच्च चार्ज कैरियर गतिशीलता और चार्ज कैरियर घनत्व के कारण।  
         

SoGa2O3इसे किन चुनौतियों का सामना करना पड़ेगा?

सबसे पहले तो यह कहना ज़रूरी है कि इस पदार्थ की सबसे बड़ी कमजोरी यह है कि यह ऊष्मा का संचालन बहुत खराब तरीके से करता है, बल्कि बेहद खराब तरीके से। वास्तव में, आरएफ प्रवर्धन या पावर स्विचिंग के लिए इस्तेमाल होने वाले सभी अर्धचालकों में, यह सबसे खराब है। गैलियम ऑक्साइड की तापीय चालकता हीरे की तुलना में केवल एक-छठा, SiC (उच्च-प्रदर्शन आरएफ GaN का आधार) की तुलना में एक-दसवां और सिलिकॉन की तुलना में एक-पांचवां है। दिलचस्प बात यह है कि यह आरएफ GaAs के बराबर है। कम तापीय चालकता का मतलब है कि ट्रांजिस्टर में उत्पन्न ऊष्मा वहीं बनी रहती है, जिससे उपकरण का जीवनकाल काफी कम हो सकता है।  
अब इस पर विचार करें: किसी पदार्थ की तापीय चालकता की किसी उपकरण से सही तुलना करने के लिए, आपको इसे पदार्थ की शक्ति सहन करने की क्षमता के अनुसार सामान्यीकृत करना होगा। दूसरे शब्दों में, वास्तविक उपकरणों में तापीय समस्याओं की सटीक तुलना करने के लिए आपको E को C से भाग देना होगा। ऐसा करने पर, आप पाएंगे कि सिलिकॉन से बड़े बैंडगैप वाले प्रत्येक अर्धचालक को अपनी पूरी क्षमता तक पहुँचने पर ऊष्मा अपव्यय की समस्या होती है, यहाँ तक कि हीरे को भी। हालाँकि यह तथ्य Ga2O3 के लिए बहुत उपयोगी नहीं है, लेकिन यह हमें ऊष्मा अपव्यय के बेहतर तरीके खोजने के लिए प्रेरित करता है।  
उदाहरण के लिए, टोक्यो की एनआईसीटी प्रयोगशाला के शोधकर्ताओं ने लगभग 10 माइक्रोन जितनी पतली Ga2O3 सिलिकॉन वेफर के पिछले हिस्से पर p-प्रकार के पॉलीक्रिस्टलाइन SiC को चिपकाकर डिवाइस के थर्मल प्रतिरोध में काफी सुधार किया। और, यह देखते हुए कि कुछ डिवाइस संरचनाओं के लिए, लगभग सारी ऊष्मा सामग्री के ऊपरी 1µm भाग में उत्पन्न होती है, AFRL के शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रोड संपर्क के प्रभाव का अनुकरण करके और ऊष्मा को हीट सिंक में स्थानांतरित करने के लिए डाइइलेक्ट्रिक फिलर्स का उपयोग करके उत्साहजनक परिणाम प्राप्त किए। यही तकनीक आज व्यावसायिक गैलियम आर्सेनाइड हेटरोजंक्शन बाइपोलर ट्रांजिस्टर में उपयोग की जाती है। इसलिए Ga2O3 में थर्मल चुनौतियों के बावजूद, कुशल इंजीनियर इस पर काम कर रहे हैं।  
एक और, अधिक मूलभूत समस्या यह है कि हम गैलियम ऑक्साइड को केवल इलेक्ट्रॉनों का चालक बना सकते हैं, छिद्रों का नहीं। Ga2O3 से कोई भी अच्छा p-प्रकार का चालक नहीं बना सकता। और, निराशाजनक रूप से, इस पदार्थ के बुनियादी इलेक्ट्रॉनिक गुण बहुत आशाजनक नहीं हैं। विशेष रूप से, पदार्थ की बैंड संरचना के वैलेंस बैंड भाग में छिद्र चालन का आकार गलत है। इसलिए, भले ही कोई ऐसा डोपेंट हो जो रिसेप्टर को सही ऊर्जा स्तर पर ले आए, फिर भी उत्पन्न होने वाले छिद्रों के चालन में योगदान देने से पहले ही फंस जाने की संभावना है। जब सिद्धांत और डेटा इतने सुसंगत हैं, तो यह कहना मुश्किल है कि इस कमी को दूर करने का कोई उपाय है।  
हालांकि इस खामी से कुछ अतिरिक्त चुनौतियां जरूर पैदा होती हैं, लेकिन सब कुछ इतना आसान भी नहीं है। कई तथाकथित 'बहुसंख्यक कैरियर-ओनली' डिवाइस व्यावसायिक रूप से सफल रहे हैं। उदाहरण के लिए, बाजार में मिलने वाले USB-C वॉल चार्जर की संख्या को ही देख लीजिए।  
Ga2O3 डिवाइस तकनीक का अनुसंधान चरण अब महत्वपूर्ण स्तर पर पहुंच गया है, और हम अब तीव्र स्विचिंग, मल्टी-किलोवोल्ट पावर ट्रांजिस्टर और RF उपकरणों के लिए अनुप्रयोगों की योजना बना रहे हैं। किलोवोल्ट श्रेणी के उपकरणों के नए प्रदर्शन भी नियमित रूप से सामने आ रहे हैं। नैनोमीटर के कुछ दसियों आयामों वाले RF ट्रांजिस्टर जल्द ही उपलब्ध होने वाले हैं। जैसे-जैसे हम इस तकनीक को आगे बढ़ाएंगे, हमें विश्वास है कि हम ऐसे डिवाइस टोपोलॉजी प्राप्त करने में सक्षम होंगे जो पहले किसी अन्य सामग्री में संभव नहीं थे।  
 

बेशक, इस प्रक्रिया में हम कुछ चीज़ें (मुख्य रूप से डाइइलेक्ट्रिक्स) तोड़ेंगे। लेकिन यही तो क्रांतिकारी तकनीक की परिभाषा है। हम अपने ज्ञान को संभावित प्रदर्शन के लिए कुर्बान कर देते हैं। फिलहाल, Ga2O3 के मामले में, प्रदर्शन की क्षमता समस्याओं से कहीं अधिक है।

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