مئی 2002 میں، لیسٹر ایف ایسٹ مین اور امیش کے مشرا نے اس وقت پاور سیمی کنڈکٹرز کے میدان میں ایک طویل مدتی ترقی کی ٹیکنالوجی کے بارے میں لکھا:گیلیم نائٹرائڈ (GaN)۔  
اس مضمون میں، انہوں نے اس وقت کے نوزائیدہ براڈ بینڈ وائرلیس نیٹ ورکس، ریڈار، اور پاور گرڈز کے لیے پاور سوئچنگ ایپلی کیشنز میں گیلیم نائٹرائڈ کے امکانات کے بارے میں امید کا اظہار کیا۔ وہ GaN آلات کو بھی کہتے ہیں۔"اب تک کا سب سے مضبوط ٹرانزسٹر"۔  
وہ درست ہیں۔ GaN کا وسیع بینڈ گیپ (باؤنڈ الیکٹرانوں کو توڑنے اور ترسیل کو آسان بنانے کے لیے درکار توانائی) اور دیگر خوبیاں ہمیں اس مواد کی اعلیٰ الیکٹرک فیلڈ رواداری سے فائدہ اٹھانے کی اجازت دیتی ہیں، اور آلات کو بے مثال کارکردگی کے ساتھ قابل بناتا ہے۔  
آج، GaN سالڈ سٹیٹ RF پاور ایپلی کیشنز کا غیر متنازعہ چیمپئن ہے، جو پہلے سے ہی ریڈار، 5G وائرلیس میں دکھائی دے رہا ہے، اور جلد ہی الیکٹرک گاڑیوں میں استعمال ہونے والے پاور انورٹرز میں عام ہو جائے گا۔ اب، آپ GaN ڈیوائسز پر مبنی ڈیزائن کردہ USB چارجرز بھی خرید سکتے ہیں، جو اپنے کمپیکٹ سائز میں نمایاں طور پر ہائی پاور لیول پیش کرتے ہیں۔  
تاہم، یہاں تک کہ اگر یہ معاملہ ہے، ہم پھر بھی پوچھتے ہیں، کیا GaN سے بہتر کوئی چیز ہے؟ کیا ایسی کوئی چیز ہے جو RF یمپلیفائر کو زیادہ طاقتور اور موثر بنانے کے لیے کی جا سکتی ہے؟ کیا کوئی ایسی چیز ہے جو پاور الیکٹرانکس کو مزید سکڑ کر طیاروں اور کاروں پر بوجھ کو مزید کم کر سکتی ہے؟ کیا ہم ایسے مواد کو تلاش کر سکتے ہیں جن میں بڑے بینڈ گیپ ہیں جو اب بھی بجلی چلا سکتے ہیں؟  
جیسا کہ یہ پتہ چلتا ہے، جواب ہاں میں ہے.  
درحقیقت، مارکیٹ میں بہت سے بینڈ گیپس کے ساتھ مواد موجود ہیں، لیکن کوانٹم میکانکس کی خاصیت کا مطلب ہے کہ ان میں سے زیادہ تر کو سیمی کنڈکٹرز کے طور پر بمشکل ہی استعمال کیا جا سکتا ہے۔ تاہم، ایک مجبور امیدوار ہے: شفاف کوندکٹو آکسائیڈ گیلیم آکسائیڈ (Ga2O3)۔  
اس کے تقریباً 5 eV کے وسیع بینڈ گیپ کے ساتھ، گیلیم آکسائیڈ GaN (3.4eV) کو ایک میل کی طرف لے جاتا ہے، اور سلیکون (1.1eV) کے مقابلے میں، سیسہ میراتھن جتنا بڑا ہے۔ ہم جانتے ہیں کہ ڈائمنڈ اور ایلومینیم نائٹرائیڈ میں بھی بڑے بینڈ گیپ ہوتے ہیں، لیکن ان میں وہ خصوصیات نہیں ہیں جو Ga2O3 کرتی ہیں، جو کہ خصوصیات کا ایک خوش قسمت مجموعہ ہے جسے سستے لیکن طاقتور آلات بنانے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔  
مواد کے لیے وسیع بینڈ گیپ ہونا کافی نہیں ہے، کیونکہ اگر ایسا ہے تو، تمام ڈائی الیکٹرک اور سیرامکس کر سکتے ہیں، اسی لیے انہیں صرف انسولیٹر کے طور پر استعمال کیا جا سکتا ہے۔ لیکن گیلیم آکسائیڈ میں خصوصیات کا ایک منفرد مجموعہ ہے جو اسے پاور سوئچز اور RF الیکٹرانکس کے لیے مادی امیدوار کے طور پر بہت مفید بنا سکتا ہے۔  
   

مثال: IEEE سپیکٹرم ماخذ: "پاور الیکٹرانکس ایپلی کیشنز کے لیے Ga2O3 کا نفاذ" گریگ ایچ جیسن ایٹ ال کے ذریعہ پیش کیا گیا۔ 75ویں سالانہ ڈیوائس ریسرچ کانفرنس (DRC) میں۔

ان پانچ خصوصیات میں سے جو سیمی کنڈکٹرز کے لیے اہم ہیں، اعلیٰ اہم برقی میدان کی طاقت بیٹا گیلیم آکسائیڈ کا سب سے بڑا فائدہ ہے۔ اس سے ہائی وولٹیج سوئچ بنانے میں مدد مل سکتی ہے اور اس کا مطلب یہ ہو سکتا ہے کہ طاقتور RF ڈیوائسز کو ان کی بنیاد پر ڈیزائن کیا جا سکتا ہے۔ تاہم، بیٹا گیلیم آکسائیڈ کا سب سے بڑا نقصان اس کی کم تھرمل چالکتا ہے، جس کا مطلب ہے کہ حرارت آلہ کے اندر پھنس سکتی ہے۔  
اس کے علاوہ، گیلیم آکسائیڈ کی ایک اچھی خاصیت یہ ہے کہ آپ اس میں چارج کیریئرز کو شامل کر سکتے ہیں تاکہ اسے ڈوپنگ نامی ایک عمل کے ذریعے زیادہ کنڈکٹیو بنایا جا سکے۔ ڈوپنگ میں سیمی کنڈکٹر میں چارج کیریئرز کے ارتکاز کو کنٹرول کرنے کے لیے کرسٹل میں نجاست کی کنٹرول شدہ مقدار شامل کرنا شامل ہے۔ سلیکون میں، مثال کے طور پر، آپ آئن امپلانٹیشن کا استعمال کر سکتے ہیں جس کے بعد کرسٹل کو فاسفورس کے ساتھ ڈوپ کرنے کے لیے اینیلنگ کر سکتے ہیں (مفت الیکٹران شامل کرنا) یا بوران (ان کو گھٹا کر)، چارجز کو اس کے اندر آزادانہ طور پر منتقل ہونے کی اجازت دیتا ہے۔ Ga2O3 میں آپ اسی طرح الیکٹرانوں کو شامل کرتے ہیں۔  
لیکن اگر آپ اس نقطہ نظر کو دوسرے وسیع بینڈ گیپ آکسائڈز کے ساتھ استعمال کرنے کی کوشش کرتے ہیں، تو آپ جالی میں ممکنہ طور پر بکھرے ہوئے کرسٹل اور دھبوں کے ساتھ ختم ہوجاتے ہیں جہاں چارجز پھنس جاتے ہیں۔  
گیلیم آکسائیڈ کی معیاری عمل (جسے آئن امپلانٹیشن کہا جاتا ہے) کے ذریعے ڈوپینٹس کے اضافے کے ساتھ ساتھ اپیٹیکسیل نمو کے دوران (اضافی کرسٹل جمع کرنا) کی موافقت ہمیں متعدد تجارتی لتھوگرافی اور پروسیسنگ ٹیکنالوجیز سے قرض لینے کی اجازت دیتی ہے۔ یہ طریقے دسیوں نینو میٹرز میں ٹرانجسٹر کے طول و عرض کی درست وضاحت کرنا اور مختلف قسم کے ڈیوائس ٹوپولاجیز کو تیار کرنا نسبتاً آسان بناتے ہیں۔ تاہم، وسیع بینڈ گیپس والے دیگر سیمی کنڈکٹر مواد میں یہ ناقابل یقین حد تک مفید خصوصیت نہیں ہے۔ GaN بھی ایسا نہیں کر سکتا۔  
گیلیم آکسائیڈ کا ایک اور فائدہ یہ ہے کہ، جیسے جیسے یہ چیزیں چلتی ہیں، کرسٹل لائن Ga2O3 کے بڑے سلیکون ویفرز دراصل گھڑنا بہت آسان ہیں۔ اگرچہ Ga2O3 کرسٹل کی کئی اقسام ہیں، سب سے زیادہ مستحکم کو β کہا جاتا ہے، اس کے بعد ε اور α۔ ان میں سے، β-Ga2O3 میں سب سے زیادہ مجموعی تحقیق ہے، جس کی بنیادی وجہ جاپان کے سوکوبا میں نیشنل انسٹی ٹیوٹ آف میٹریلز سائنس اور برلن میں لیبنز-انسٹی ٹیوٹ فر کرسٹالزچٹنگ جیسے اداروں کی کوشش ہے۔  
β-Ga2O3 کا سب سے پرکشش پہلو اس کا تھرمل استحکام ہے، جو اسے پہلے سے وسیع پیمانے پر استعمال ہونے والی متعدد تکنیکوں کا استعمال کرتے ہوئے تیار کرنے کی اجازت دیتا ہے، بشمول سلکان ویفرز بنانے کے لیے Czochralski طریقہ۔ ہم ایک کرسٹل گروتھ تکنیک بھی استعمال کر سکتے ہیں جسے ایج ڈیفائنڈ، فلم فیڈ کہا جاتا ہے۔ آج کل، انتہائی توسیع پذیر عمودی برج مین-اسٹاک بارجر تکنیک کا استعمال کرتے ہوئے کرسٹل بھی اگائے جا سکتے ہیں۔  
یہ بتانا مشکل ہے کہ یہ صورتحال دوسرے وسیع بینڈ گیپ سیمی کنڈکٹرز سے کتنی مختلف ہے۔ تاہم، موجودہ نقطہ نظر سے، سلیکون کاربائیڈ (SiC) کے علاوہ، زیادہ تر ابھرتے ہوئے وسیع بینڈ گیپ سیمی کنڈکٹرز میں بڑے سائز کے ذیلی ذخیرے نہیں ہوتے ہیں جن پر بڑے کرسٹل اگائے جاسکتے ہیں۔ اس کا مطلب ہے کہ انہیں کسی دوسرے مواد کی ڈسک پر بڑھنا ہوگا، جو قیمت پر آتا ہے۔ مثال کے طور پر، گیلیم نائٹرائڈ کو عام طور پر سلکان، سلکان کاربائیڈ یا سیفائر سبسٹریٹس پر ایک پیچیدہ عمل میں اگایا جاتا ہے۔ لیکن ان سبسٹریٹس کا کرسٹل ڈھانچہ ظاہر ہے کہ GaN سے مختلف ہے، اور یہ فرق سبسٹریٹ اور GaN کے درمیان "جالیوں کی مماثلت" پیدا کر سکتا ہے، جس کے نتیجے میں بڑی تعداد میں نقائص پیدا ہو سکتے ہیں۔ ان نقائص کی وجہ سے تیار کردہ آلات کے لیے بہت سے مسائل پیدا ہوئے۔ چونکہ Ga2O3 اس کے اپنے ذیلی ذخیرے کے طور پر کام کرتا ہے، اس لیے کوئی مماثلت نہیں ہے اور اس لیے کوئی خرابی نہیں ہے۔ جاپان کی نوول کرسٹل ٹیکنالوجی نے 150 ملی میٹر β-Ga2O3 کا مظاہرہ کیا ہے۔  
جاپان انسٹی ٹیوٹ آف انفارمیشن اینڈ کمیونیکیشن ٹیکنالوجی (NICT) میںمساتکا ہیگاشیواکیپاور سوئچنگ ایپلی کیشنز میں β-Ga2O3 کی صلاحیت کا ادراک کرنے والا پہلا شخص تھا۔ 2012 میں، اس نے اپنے ریسرچ گروپ کی طرف سے پہلے سنگل کرسٹل β-Ga2O3 ٹرانزسٹر کی اطلاع کے بعد پورے پاور ڈیوائس فیلڈ کو چونکا دیا۔ یہ مصنوعات کتنی اچھی ہے؟ مثال کے طور پر، پاور ٹرانزسٹر کی اہم خصوصیات میں سے ایک بریک ڈاؤن وولٹیج ہے، ایک اہم نقطہ جس پر کرنٹ کے بہاؤ کو روکنے کے لیے سیمی کنڈکٹر کی صلاحیت ٹوٹ جاتی ہے۔ Higashiwaki کی طرف سے متعارف کرائے گئے اہم ٹرانزسٹر کا بریک ڈاؤن وولٹیج 250V سے زیادہ ہے۔ مقابلے کے لیے، GaN کو اس کامیابی کو حاصل کرنے میں تقریباً دو دہائیاں لگیں۔  
اپنے بنیادی کام میں، ہیگاشیواکی نے بیان کیا کہ انہوں نے ایک اعلیٰ اہم برقی فیلڈ کی طاقت والے مواد کا استعمال کرکے آلہ کے بجلی کے نقصانات کو بھی نمایاں طور پر کم کیا۔ یہ خصوصیت، جسے Ec کہا جاتا ہے، گیلیم آکسائیڈ کی حقیقی سپر پاور ہے۔  
سیدھے الفاظ میں، اگر آپ دو کنڈکٹرز کے درمیان کسی مواد کو سینڈویچ کرتے ہیں، اور آپ وولٹیج کو بڑھاتے ہیں، تو E c وہ برقی میدان ہے جس پر مواد بجلی چلانا شروع کرتا ہے۔ کئی بار، یہ وولٹیج بعض اوقات تباہ کن نتائج لاتا ہے۔ سلیکون کی اہم فیلڈ کی طاقت کو عام طور پر سینکڑوں کلو وولٹ فی سینٹی میٹر میں ماپا جاتا ہے، جبکہ Ga2O3 کی اہم فیلڈ کی طاقت 8 میگا وولٹ فی سنٹی میٹر ہے۔  
 

تصویر: ایئر فورس ریسرچ لیبارٹری

ہائی وولٹیج ہیرو: اوپر تصویر میں یہ گیلیم آکسائیڈ ٹرانزسٹر (اوپر دو میگنیفیکیشنز (a اور b) اور کراس سیکشن (c) میں دکھایا گیا ہے) صرف 600 نینو میٹر کے اندر 200 وولٹ سے زیادہ وولٹیج کو برقرار رکھتا ہے۔

جب آپ مثالی پاور سوئچنگ ٹرانزسٹرز کے بارے میں سوچتے ہیں، تو بہت زیادہ E کا ہونا سب سے بڑی پرکشش مقامات میں سے ایک ہے۔ مثالی طور پر، آلہ فوری طور پر دو حالتوں کے درمیان سوئچ کر دے گا: ہمیشہ آن (بغیر مزاحمت کے کنڈکشن) اور ہمیشہ آف (کوئی ترسیل نہیں)۔ ان دو انتہاؤں میں دو بالکل مختلف ڈیوائس جیومیٹریاں ہیں۔ آف اسٹیٹ کے لیے، آپ کو ٹرانزسٹر کے منبع اور نالی کے درمیان مواد کی ایک موٹی تہہ ڈالنے کی ضرورت ہے تاکہ ترسیل کو روکا جا سکے اور بڑے وولٹیج کو روکا جا سکے۔ آن سٹیٹ کے لیے، آپ کو ایک لامحدود پتلی جگہ کی ضرورت ہے تاکہ اس میں کوئی مزاحمت نہ ہو۔  
یقینا، آپ دونوں نہیں کر سکتے ہیں. مواد کی اہم برقی فیلڈ کی طاقت اس بات کا تعین کرتی ہے کہ اس علاقے کو حقیقت میں کتنا پتلا بنایا جا سکتا ہے کہ وہ ابھی بھی بند رہے۔  
کم فریکوئنسی پاور سوئچنگ سیمی کنڈکٹرز کے اہم اشارے کو بالیگا فگر آف میرٹ کہا جاتا ہے، جس کا نام IEEE میڈل آف آنر حاصل کرنے والے B. Jayant Baliga کے نام پر رکھا گیا ہے۔ بنیادی طور پر، یہ بتاتا ہے کہ ڈیوائس کا آؤٹ پٹ ہائی وولٹیجز پر ان پٹ سگنل کی تفصیلات کو کتنی اچھی طرح سے دوبارہ تیار کرتا ہے۔ کلو ہرٹز رینج تک فریکوئنسی پر سوئچ کے طور پر کام کرنے والے ٹرانزسٹرز کے لیے یہ ایک بہت اہم خاصیت ہے۔ اس طرح کے آلات ملٹی کلو وولٹ سب اسٹیشن کے آلات، میڈیکل امیجنگ کے لیے ہائی انرجی فوٹوون جنریٹرز، اور الیکٹرک گاڑیوں اور صنعتی موٹر ڈرائیوز کے لیے پاور انورٹرز میں پائے جاتے ہیں۔  
ان تمام ایپلی کیشنز اور مزید کے لیے، Ga2O3 کے قدرتی فوائد ہیں۔ ان تعدد پر، معیار کا عنصر اہم برقی میدان کے مکعب کے متناسب ہے۔ اس طرح کے اعلی ای سی کا مطلب ہے میرٹ کی اچھی شخصیت۔  
ریاضی کے پیچھے یہ حقیقت ہے کہ یہ سوئچ اپنا زیادہ تر وقت یا تو مکمل طور پر آن یا مکمل طور پر آف، اور دونوں کے درمیان سوئچ کرنے میں بہت کم وقت گزارتا ہے۔ لہذا زیادہ تر بجلی کا نقصان صرف ریزسٹر سے ڈیوائس کے آن ہونے تک کرنٹ ہے۔ جب E c زیادہ ہو تو پتلے آلات استعمال کیے جاسکتے ہیں، جس کا مطلب ہے کم مزاحمت۔  
Higashiwaki کے کام کا پیغام آسان ہے: آپ ہائی وولٹیج سوئچنگ حاصل کرنے کے لیے طاقتور ہائی الیکٹرک فیلڈ طاقتوں کا استعمال کر سکتے ہیں جو کم فریکوئنسیوں پر بہت کم طاقت کھو دیتی ہے۔ دوسرے ریسرچ گروپوں کو جلد ہی پیغام مل گیا۔ 2013 تک، محققین نے 370V کے بریک ڈاؤن وولٹیج کے ساتھ میٹل-آکسائیڈ-سیمک کنڈکٹر فیلڈ ایفیکٹ ٹرانزسٹر (MOSFET) کا مظاہرہ کیا تھا۔ 2016 میں، مین ہوئی وونگ، جو اس وقت NICT کے Higashiwaki گروپ کا حصہ تھا، نے وولٹیج کو 750V سے اوپر دھکیلنے کے لیے فیلڈ پلیٹنگ نامی ایک اضافی ڈھانچہ استعمال کیا۔ ان آلات میں، نسبتاً آسانی جس کے ساتھ Ga2O3 زیادہ آپریٹنگ وولٹیج حاصل کر سکتا ہے، واقعی قابل ذکر ہے۔ مواد کی تحقیق نے صرف چند سالوں میں ایک لمبا فاصلہ طے کیا ہے، جبکہ GaN لیف میں کئی دہائیاں لگیں۔  
کیا Ga2O3 تیزی سے سوئچنگ پاور سپلائی ایپلی کیشنز میں مفید ہو گا؟ یہ ایک اور نکتہ ہے جس پر ہر کوئی توجہ دیتا ہے۔ اس بات پر زور دینے کی ضرورت ہے کہ E c یہاں بھی بہت اہم ہے اور Ga2O3 کو بہت زیادہ فوائد لا سکتا ہے۔  
زیادہ فریکوئنسیوں پر (جیسے 100 Hz سے 1 MHz)، کسی ڈیوائس کو آن اور آف کرنے میں جو وقت لگتا ہے وہ متناسب طور پر بڑھتا ہے۔ سوئچنگ کے دوران ہونے والے نقصانات ڈیوائس کی مزاحمت کا نتیجہ ہیں اور سوئچ کرنے کے لیے ٹرانزسٹر گیٹ پر کتنا چارج جمع ہونا پڑتا ہے۔ ریاضی کرتے ہوئے، اس کا مطلب ہے کہ نقصانات اہم برقی میدان کی طاقت کے مربع کے متناسب ہیں، کم تعدد پر مکعب کے نہیں۔  
    تصویر: ایئر فورس ریسرچ لیبارٹری  
اوپر دی گئی تصویر گیلیم آکسائیڈ کو ظاہر کرتی ہے۔RF درخواست کی صلاحیت،اس ابتدائی گیلیم آکسائیڈ آر ایف ٹرانزسٹر کا ایک چھوٹا سا حصہ (اندرونی) اس کے آپریشن کے لیے اہم تھا۔ ڈیوائس میں پرجیوی مزاحمت کو کم کرنے سے طاقت اور تعدد میں اضافہ ہوسکتا ہے۔  
آپ دیکھیں گے کہ موبائل فون چارجر کی طرح سادہ ایپلیکیشن میں، تیز پاور سوئچنگ زیادہ فوائد لائے گی۔ ایک سوئچنگ پاور سپلائی پہلے وال پلگ سے AC وولٹیج کو درست کرکے اور پھر اسے ہائی فریکوئنسی سگنل میں کاٹ کر کام کرتی ہے۔ ٹرانسفارمر وولٹیج کو مطلوبہ سطح تک کم کرتا ہے اور آخر میں سگنل کو درست کرکے فلٹر کیا جاتا ہے۔ سسٹم کے سب سے زیادہ بھاری حصے ٹرانسفارمرز اور دیگر غیر فعال اجزاء ہیں، اور چھوٹے اجزاء صرف اس وقت استعمال کیے جا سکتے ہیں جب فریکوئنسی بڑھ جاتی ہے۔ اور اگر آپ اعلی تعدد چاہتے ہیں تو، ایک وسیع بینڈ گیپ کے ساتھ ایک سیمی کنڈکٹر اور ایک اعلی اہم الیکٹرک فیلڈ آپ کو گرمی کی کھپت کو آسان بنانے کے ساتھ ساتھ اسے زیادہ مؤثر طریقے سے حاصل کرنے کی اجازت دے گا۔  
مثال کے طور پر، 20kHz پر 1200V سلکان انورٹر سوئچنگ تقریباً 3kW بجلی فراہم کر سکتا ہے۔ تاہم، 150kHz پر سوئچ کرنے سے، ایک ہی پاور فراہم کرنے والا ایک سلکان کاربائیڈ انورٹر ایک پیکج میں زیادہ درجہ حرارت پر کام کر سکتا ہے جو سائز کا ایک تہائی ہے۔ موازنے کے طور پر، Ga2O3 پر مبنی انورٹرز میگاہرٹز کے قریب فریکوئنسیوں پر کام کر سکتے ہیں اور نصف چھوٹے ہو سکتے ہیں (حالانکہ اس کے لیے مقناطیسی اجزاء کی ضرورت ہوگی جو ابھی تک ایجاد نہیں ہوئے ہیں)۔  
لہذا، خلاصہ یہ کہ، Ga2O3 جیسے مواد کی حقیقی برقی خصوصیات ان کی اہم برقی فیلڈ کی طاقت کو مکمل طور پر استعمال کرنے سے حاصل ہوتی ہیں۔ لیکن وہ قدر بالکل کیا ہے؟ 2015 تک، کسی بھی گروپ نے مواد کے ذریعے حاصل کی جانے والی فیلڈ طاقتوں کی حقیقی پیمائش نہیں کی تھی۔ دوسرے آلات کی طرح، ابتدائی نتائج نظریاتی حدود سے بہت دور ہیں۔  
رائٹ پیٹرسن ایئر فورس بیس، اوہائیو میں ایئر فورس ریسرچ لیبارٹری میں کام کرتے ہوئے میں اور میرے ساتھی اس چیلنج کا سامنا کر رہے ہیں۔ پہلا مسئلہ جس کا ہم نے سامنا کیا وہ یہ تھا کہ ایسی اعلیٰ فیلڈ طاقتوں والے مواد کا استعمال کرتے ہوئے کسی بھی ڈیوائس میں موجودہ ٹیسٹ آلات کی حد سے تجاوز کرنے کی صلاحیت موجود تھی۔ کیونکہ اصولی طور پر، 2 مائکرون مواد 1.5kV سے زیادہ کو روک سکتا ہے! لہذا ہم نے ایک سادہ MOSFET بنایا جس کی جیومیٹری کو وولٹیج کو کم کرنے کے لیے چھوٹا کیا گیا تھا۔ گیٹ اور ڈرین کے درمیان فاصلہ جہاں برقی فیلڈ سب سے زیادہ ہے صرف 600 نینو میٹر ہے۔ یہ جزوی طور پر چوٹی Ec کی پیمائش کو آسان بنانے کے لیے ہے، لیکن اس لیے بھی کہ ہم آلہ کو RF فریکوئنسیوں پر جانچنے کے قابل ہونا چاہتے ہیں، جس کی بڑے ہائی وولٹیج ڈیزائن اجازت نہیں دیتے۔  
اس ابتدائی مظاہرے میں، ٹرانزسٹر 230V کو برداشت کرنے کے قابل تھے، جو کہ RF ٹیسٹ کے آلات کی حد ہے۔ پیدا ہونے والا اوسط الیکٹرک فیلڈ کم از کم 3.8 MV/cm ہے، اور سمیلیشنز ظاہر کرتے ہیں کہ چوٹی کا اندرونی برقی فیلڈ کم از کم 5.3 MV/cm ہے۔ (ہم کبھی بھی FET میں مکمل 8MV/cm کا مشاہدہ نہیں کریں گے) یہ پہلا تجرباتی مظاہرہ ہے کہ Ga2O3 کی GaN (تقریباً 3.3MV/cm) سے بڑی نظریاتی EC قدر ہے۔ اسے دوسرے طریقے سے دیکھیں، 600V کے درجہ بند آپریٹنگ وولٹیج کے ساتھ GaN پاور ٹرانزسٹر کا گیٹ ٹو ڈرین گیپ عام طور پر تقریباً 15 سے 20 µm ہوتا ہے، اور ہماری طول موج 600nm ہوتی ہے۔  
اس نتیجے پر پہنچنے کے بعد، پاور سوئچنگ ٹرانزسٹر خطرناک شرح سے تیار ہوئے۔ 2017 میں، ہم نے 600V سے زیادہ بریک ڈاؤن وولٹیج کے ساتھ MOSFETs تیار کیا۔ 2018 کے اوائل میں، مختلف جیومیٹریز کے MOSFETs کا استعمال کرتے ہوئے حاصل ہونے والی اعلی تعدد نقصان کی قدریں سلکان کی نظریاتی حدود کو پورا کرتی ہیں یا اس سے تجاوز کرتی ہیں۔ مزید یہ کہ، اب ہمارے پاس اگلے چند سالوں میں تازہ ترین GaN اقدار کو ملانے یا اس سے تجاوز کرنے کی طرف ایک واضح راستہ ہے۔  
    تصویر: ناول کرسٹل ٹیکنالوجی  
بہت سے وسیع بینڈ گیپ سیمی کنڈکٹرز کے برعکس، گیلیم آکسائیڈ ویفرز کو تقریباً اسی عمل کا استعمال کرتے ہوئے بنایا جا سکتا ہے جیسا کہ سلکان ویفرز۔ لہذا، اس کا مطلب یہ ہے کہ عیب سے پاک آلات نسبتاً سستے ہو سکتے ہیں۔  
جب ہم نے 2015 میں پاور سوئچز کی E کی پیمائش کی، تو ہم نے یہ بھی قیاس کیا کہ Ga2O3 کو RF سرکٹس میں بھی اسی طرح کی کامیابی مل سکتی ہے، چھوٹے آلات میں اعلیٰ الیکٹرک فیلڈز کی اجازت دے کر۔ لیکن اس وقت، کچھ اہم معلومات غائب تھیں- برقی میدان کے کام کے طور پر مواد میں الیکٹران کی رفتار پر کوئی شائع شدہ ڈیٹا موجود نہیں تھا۔  
الیکٹران کی رفتار خاص طور پر ریڈیو فریکوئنسی سگنل کو بڑھانے کے لیے استعمال ہونے والے ٹرانجسٹروں میں اہم ہے۔ RF میں، ہائی پاور آؤٹ پٹ اور ہائی فریکوئنسی اہداف ہیں، اور جانسن کا فگر آف میرٹ (JFOM) ان اہداف کا خلاصہ کرتا ہے۔ JFOM کا کہنا ہے کہ RF ٹرانزسٹر کی طاقت اور فریکوئنسی کی پیداوار سیمی کنڈکٹر مواد اور Ec میں چارج کیریئرز کی زیادہ سے زیادہ رفتار کی پیداوار کے متناسب ہے۔ اہم چیز جو ہمیں یہاں جاننے کی ضرورت ہے وہ یہ ہے کہ ایک RF ٹرانزسٹر میں آپ کو صرف اس صورت میں ایمپلیفیکیشن حاصل ہوتا ہے جب کیریئرز اسے آر ایف ویوفارم سوئچز کی قطبیت سے پہلے منبع سے نالی تک پورے راستے میں بہانے کے قابل ہو جائیں۔ (سب سے زیادہ تعدد جس پر یہ ہوتا ہے اسے یونٹ کرنٹ گین فریکوئنسی، یا f T کہا جاتا ہے۔)
ایک بار پھر، Ga2O3 کا اعلیٰ اہم برقی میدان عمل میں آتا ہے کیونکہ آپ اس اہم فاصلے کو کم کر سکتے ہیں لیکن پھر بھی الیکٹرانوں کو ان کی زیادہ سے زیادہ رفتار تک تیز کرنے کے لیے ایک مضبوط برقی میدان فراہم کرتے ہیں۔  
AFRL میں ہم نے 2017 میں پہلی submicron gallium oxide RF MOSFET کا مظاہرہ کیا۔ ان آلات نے کچھ متاثر کن نمبر بنائے، حالانکہ یہ GaN لیگ کے سب سے اوپر نہیں ہیں۔ ان کی یونٹ کی موجودہ گین فریکوئنسی 3GHz ہے، ان کی زیادہ سے زیادہ دولن کی فریکوئنسی 13GHz ہے، اور ان کی آؤٹ پٹ پاور ڈینسٹی 800MHz پر 230 mW/mm ہے۔ تب سے، AFRL کی pulsed RF پاور آؤٹ پٹ کثافت 1GHz پر 500mW/mm سے تجاوز کر گئی ہے، جس میں زیادہ سے زیادہ دولن کی فریکوئنسی 20GHz تک پہنچ گئی ہے۔  
اس سے بھی زیادہ حوصلہ افزا، تقریباً اسی وقت، کرشنندو گھوش اور اتم سنگیسیٹی (یونیورسٹی آف بفیلو) کے نظریاتی حساب سے ظاہر ہوا کہ گیلیم آکسائیڈ کے JFOMs گیلیم نائٹرائڈ کے مقابلے میں نمایاں طور پر بہتر ہیں۔  
2017 میں RF صلاحیتوں کے پہلے مظاہرے کے بعد سے، RF Ga2O3 ٹیکنالوجی نے زبردست ترقی کی ہے، پہلے سریرام کرشنامورتی اور پھر اوہائیو اسٹیٹ یونیورسٹی میں سدھارتھ راجن کی ٹیم کے ساتھ نئی اور بہتر ڈوپنگ تکنیکوں کا مظاہرہ کیا۔ یہ ٹیکنالوجیز سلیکون سے مستعار لی گئی ہیں، اس لیے مواد کی شیٹ میں جہاں ترسیل ہوتی ہے اس کے نتیجے میں مزاحمت بہت کم ہوتی ہے، تقریباً 300 اوہم فی مربع۔ (جی ہاں، یہ صحیح یونٹ ہے۔) یہ اس سے موازنہ ہے جو آپ کو گیلیم نائٹرائڈ ڈیوائسز میں ملے گا۔ اس نتیجہ کو حاصل کرنے کے فوراً بعد، راجن اور یونیورسٹی آف کیلیفورنیا، سانتا باربرا کے محققین نے آزادانہ طور پر Ga2O3 کو ہائی الیکٹران موبلٹی ٹرانزسٹر (HEMT) کے طور پر ظاہر کیا۔ D: AGHEMT
اس قسم کا آلہ عام طور پر گیلیم آرسنائیڈ یا گیلیم نائٹرائڈ سے بنایا جاتا ہے، اور ریڈیو فریکوئنسی سیل فونز اور سیٹلائٹ ٹی وی ریسیورز دونوں کے لیے اہم ہے۔ اس طرح کے آلات دو جہتی الیکٹران گیس کے ذریعے چلتے ہیں جو مختلف بینڈ گیپس کے ساتھ دو سیمی کنڈکٹرز کے درمیان تیز انٹرفیس پر بنتی ہے۔ اس صورت میں، یہ ایلومینیم گیلیم آکسائیڈ اور گیلیم آکسائیڈ ہے، جو بالکل سمارٹ فونز میں کمرشل ایلومینیم گیلیم آرسنائیڈ/گیلیم آرسنائیڈ ایچ ای ایم ٹی ٹیکنالوجی سے ملتا جلتا ہے۔ یہ اہم کامیابیاں RF آلات کی عمودی اور افقی توسیع کا راستہ فراہم کرتی ہیں۔  
اگرچہ یہ پیشرفت حوصلہ افزا ہیں، Ga2O3 ہر RF ایپلی کیشن میں گیلیم آرسنائیڈ (GaAs) یا GaN کو چیلنج کرنے کا امکان نہیں ہے۔ بنیادی طور پر اچھے سوئچ کے طور پر، ہم توقع کرتے ہیں کہ اسے سوئچ موڈ ایمپلیفائر جیسے کلاس D، E، یا F میں فوائد حاصل ہوں گے۔ ان ڈیوائسز میں، ڈیوائس کی آن مزاحمت بہت کم ہے اور یہ کم کرنٹ، ہائی بریک ڈاؤن وولٹیج کی خصوصیات کا استعمال کرتے ہوئے بہت زیادہ کارکردگی حاصل کر سکتا ہے۔ دوسری طرف، ڈیوائس ایپلی کیشنز جن میں کم رکاوٹ اور زیادہ کرنٹ کی ضرورت ہوتی ہے وہ GaN کو پسند کریں گے، بنیادی طور پر اس کی زیادہ چارج کیریئر کی نقل و حرکت اور چارج کیریئر کثافت کی وجہ سے۔  
         

SoGa2O3اسے کن چیلنجوں کا سامنا کرنا پڑے گا؟

کہنے کی پہلی بات یہ ہے کہ اس مواد کی اچیلز ہیل یہ ہے کہ یہ گرمی کو خراب طریقے سے چلاتی ہے، یہاں تک کہ خاص طور پر خراب طریقے سے۔ درحقیقت، RF ایمپلیفیکیشن یا پاور سوئچنگ کے لیے سمجھے جانے والے تمام سیمی کنڈکٹرز میں سے، یہ درحقیقت بدترین ہے۔ گیلیم آکسائیڈ کی تھرمل چالکتا ہیرے کا صرف چھٹا حصہ ہے، SiC کا دسواں حصہ ہے (اعلی کارکردگی والے RF GaN کا سبسٹریٹ)، اور سلیکون کا پانچواں حصہ ہے۔ دلچسپ بات یہ ہے کہ یہ RF GaAs سے موازنہ ہے۔ کم تھرمل چالکتا کا مطلب یہ ہے کہ ٹرانزسٹر میں پیدا ہونے والی حرارت کے وہیں رہنے کا امکان ہے، جو ممکنہ طور پر آلہ کی عمر کو محدود کر دیتا ہے۔  
اب، اس پر غور کریں: کسی آلے سے مواد کی تھرمل چالکتا کا صحیح موازنہ حاصل کرنے کے لیے، آپ کو اسے مادی کی طاقت کو سنبھالنے کی صلاحیت کے مطابق معمول پر لانے کی ضرورت ہے۔ دوسرے الفاظ میں، حقیقی آلات میں تھرمل مسائل کا درست موازنہ کرنے کے لیے آپ کو E کو C سے تقسیم کرنے کی ضرورت ہے۔ جب آپ ایسا کرتے ہیں، تو آپ کو معلوم ہوتا ہے کہ سیلیکون سے بڑے بینڈ گیپ والے ہر سیمی کنڈکٹر میں اپنی پوری صلاحیت تک پہنچنے پر گرمی کی کھپت کے مسائل ہوتے ہیں، یہاں تک کہ ہیرا بھی۔ اگرچہ یہ حقیقت اب بھی Ga2O3 کی زیادہ مدد نہیں کرتی ہے، لیکن یہ ہمیں گرمی کو ختم کرنے کے بہتر طریقے تلاش کرنے کی کوشش کرنے کی ترغیب دیتی ہے۔  
مثال کے طور پر، ٹوکیو کی این آئی سی ٹی لیبارٹری کے محققین نے پی ٹائپ پولی کرسٹل لائن سی سی کو Ga2O3 سلکان ویفر کے پچھلے حصے میں تقریباً 10 مائیکرون جتنا پتلا باندھ کر ڈیوائس کی تھرمل مزاحمت کو بہت بہتر کیا۔ اور، یہ نوٹ کرتے ہوئے کہ بعض ڈیوائس ٹوپولاجیز کے لیے، عملی طور پر تمام حرارت مواد کے اوپری 1µm میں پیدا ہوتی ہے، AFRL کے محققین نے الیکٹروڈ رابطے کے اثر کی تقلید کرتے ہوئے اور ڈائی الیکٹرک فلرز کا استعمال کرتے ہوئے حرارت کو ہیٹ سنک تک پہنچانے کے لیے حوصلہ افزا نتائج حاصل کیے ہیں۔ یہ وہ چال ہے جو آج کمرشل گیلیم آرسنائیڈ ہیٹروجنکشن بائپولر ٹرانجسٹرز میں استعمال ہوتی ہے۔ لہذا Ga2O3 میں تھرمل چیلنجوں کے باوجود، ہوشیار انجینئر اس پر کام کر رہے ہیں۔  
ایک اور، زیادہ بنیادی مسئلہ یہ ہے کہ ہم سوراخوں کے بجائے صرف گیلیم آکسائیڈ کنڈکٹ الیکٹران بنا سکتے ہیں۔ Ga2O3 سے کوئی بھی اچھا پی قسم کا کنڈکٹر نہیں بنا سکتا۔ اور، مایوسی سے، مواد کی بنیادی الیکٹرانک خصوصیات زیادہ وعدہ نہیں رکھتی ہیں۔ خاص طور پر، مواد کے بینڈ کی ساخت کے والینس بینڈ والے حصے میں سوراخ کی ترسیل کی شکل غلط ہے۔ اس لیے، یہاں تک کہ اگر کسی قسم کا ڈوپینٹ ہے جس کی وجہ سے رسیپٹر صحیح توانائی کی سطح پر ہوتا ہے، تو یہ توقع کی جاتی ہے کہ پیدا ہونے والے کسی بھی سوراخ سے ترسیل میں حصہ ڈالنے سے پہلے خود کو پھنس جائے گا۔ جب نظریہ اور اعداد و شمار بہت مطابقت رکھتے ہیں، تو یہ کہنا مشکل ہے کہ اس کمی کے ارد گرد کوئی راستہ ہے.  
اگرچہ یہ کمزوری اضافی چیلنجز پیدا کرتی ہے، لیکن یہ سب سادہ جہاز نہیں ہے۔ بہت سے نام نہاد اکثریتی کیریئر صرف آلات تجارتی طور پر کامیاب رہے ہیں۔ مثال کے طور پر، صرف اتنے ہی USB-C وال چارجرز کو دیکھیں جتنے آپ حاصل کر سکتے ہیں۔  
Ga2O3 ڈیوائس ٹکنالوجی کا تحقیقی مرحلہ ابھی انتہائی اہم سطح پر پہنچنا شروع ہوا ہے، اور اب ہم تیزی سے سوئچنگ، ملٹی کلو وولٹ پاور ٹرانزسٹرز اور RF ڈیوائسز کے لیے ایپلی کیشن کی جگہ کی منصوبہ بندی کر رہے ہیں۔ کلو وولٹ کلاس آلات کے نئے مظاہرے بھی اب باقاعدگی سے ظاہر ہو رہے ہیں۔ دسیوں نینو میٹرز میں اہم جہتوں والے RF ٹرانزسٹر دستیاب ہونے والے ہیں۔ جیسا کہ ہم اس ٹیکنالوجی کو آگے بڑھاتے ہیں، ہمیں لگتا ہے کہ ہم ڈیوائس ٹوپولاجی حاصل کرنے کے قابل ہو جائیں گے جو اس سے پہلے کسی دوسرے مواد میں ممکن نہیں تھا۔  
 

بلاشبہ، ہم کچھ چیزوں (بنیادی طور پر ڈائی الیکٹرکس) کو توڑنے جا رہے ہیں جب ہم ساتھ چلتے ہیں۔ لیکن یہ خلل ڈالنے والی ٹیکنالوجی کی تعریف ہے۔ ہم ممکنہ کارکردگی کے لیے جو کچھ جانتے ہیں اس کی تجارت کرتے ہیں۔ فی الحال، Ga2O3 کے لیے، کارکردگی کی صلاحیت مسائل سے بہت زیادہ ہے۔

ڈس کلیمر: یہ مضمون "سیمک کنڈکٹر انڈسٹری آبزرویشن" سے دوبارہ تیار کیا گیا ہے، جو املاک دانش کے حقوق کے تحفظ کی حمایت کرتا ہے۔ براہ کرم دوبارہ پرنٹ کے اصل ماخذ اور مصنف کی نشاندہی کریں۔ اگر کوئی خلاف ورزی ہوتی ہے تو اسے حذف کرنے کے لیے ہم سے رابطہ کریں۔

کمپنی کا فون نمبر: +86-0755-83044319
فیکس/FAX: +86-0755-83975897
ای میل: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 منیجر لی

QQ: 332496225 منیجر Qiu

پتہ: کمرہ 809، بلڈنگ سی، ژانتاو ٹیکنالوجی بلڈنگ، نمبر 1079 منزی ایونیو، لونگہوا نیو ڈسٹرکٹ، شینزین