氧化镓——半导体天空中的新恒星?

氧化镓——半导体天空中的新恒星?

说到晶体,我们谈论的是用于电子/光子技术平台研究、开发和服务的真正大体积晶体,莱布尼兹研究所F_r Kristallz_chtung(ikz)是第一个停靠港。在这里,从一个非常热的熔融体,他们生长同位素纯硅晶体到2升瓶大小,用于特殊用途(例如新标准千克),并开发出精炼和新的方法,以单晶体形式生产锡、锌和铟等金属的导电氧化物。

几年来,ikz的科学家们也一直致力于研究这种材料氧化镓(ga2O3)。这种新型半导体的带隙相对较大,为4.8电子伏,这意味着在电力电子领域,特别是在高电压被转换成低电压的情况下,氧化镓至少部分地可以超过当前恒星的阶段:硅(Si)、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)。

“到目前为止,SiC是唯一一种不易产生明显缺陷的基体,但外延生长速度相对较慢。对于氮化镓来说,仍然没有有效的方法来生产大体积的合适的单晶。因此,它被沉积到像蓝宝石或硅这样的外来基板上,但它们的不同晶格常数导致了外延过程中的错位。这对组件的功能不利,”ikz模拟与特征化部门负责人MartinAlbrecht博士解释说。

氧化镓的情况完全不同:“我们已经可以从大约5 x 10厘米大小的熔体中生长出单晶。这种新材料甚至可以在1014到1020cm-3的范围内被掺杂。”

然而,走这么远是一段漫长的旅程。尽管在上世纪60年代对氧化镓进行了实验,但这种化合物的真正发展始于近几年。2009年,ikz开始生长和开发这种材料的大块单晶体,这对研究人员来说需要很多技巧。氧化镓在约1800°C下熔化,并倾向于降解成亚氧化镓、金属镓和分子氧。因此,为了从熔化物中生长出单晶,我们需要在生长气氛中有很高的氧气压力,”IKZ晶体生长专家Zbigniew Galazka博士解释说。除此之外,用于熔化氧化镓的铱坩埚在有这么多氧气的情况下会强烈氧化。“但对于每一个问题,都有一个解决办法,”加拉兹卡带着胜利的光芒说。他们通过仔细研究氧化镓、氧和铱的“可怕的三重态”的热力学发现了这个溶液。是的,铱氧化成二氧化铱,这是非常有害的,但只有在低温到中等温度。在高温下,形成三氧化铱而不是二氧化铱,后者是气态的并蒸发。因此,研究人员想出了一个技巧,这是他们在国际上获得专利的,那就是在开始加热的过程中,只向生长炉中引入少量的氧气,称为直拉法,只有当温度上升到1200-1400°C以上时,他们才会增加氧气量并抽空。气态三氧化铱远离生长晶体。这使我们能够生长大直径2英寸的Ga2O3单晶,并具有进一步的放大能力。这种大体积的晶体降低了单位体积的成本,更重要的是,可以制备用于外延和最终器件的大晶圆。

从获得的晶体中,他们制备了晶圆,并将其发送给加利福尼亚州圣巴巴拉大学的同事,他们将晶圆用作分子束外延的基底,在晶圆上沉积氧化镓层,并产生同外延结构。“然后,随着该研究所其他项目在2012年结束,我们的负责人说:我们可以培育出优秀的晶体。我们有外延的经验。那么,为什么美国的同事们要玩得尽兴呢?“G_nter Wagner博士是半导体氧化物层工作组的负责人。然后,从莱布尼兹协会(从那时起从联邦教育和研究部)获得资金,并获得气相外延设备。从那时起,ikz的研究人员就一直在用蒸汽将自己的氧化镓沉积到自己的单晶晶片上。

于是开始了精细的工作,一些人在黑暗中挣扎,因为没有人真正知道这种新材料有什么性质。带隙是直接的还是间接的?可能出现什么缺陷?那半导体的光学特性是什么呢?要回答这样的基本问题,我们需要以良好的、可重复的质量获得材料。MartinAlbrecht的小组在电子显微镜下仔细观察了单晶体中的原子排列。当其他金属氧化物以立方或金刚石结构结晶时,氧化镓形成单斜晶体。这意味着晶格常数a、b和c略有不同(见图1)。我们首先要弄清楚哪些表面最适合沉积,”马丁·阿尔布雷特解释说。一旦确定了这一点,就必须按照适当的方向切割和抛光单晶,然后将它们发送给柏林公司Crystec。

然而,即使抛光到完美,没有晶圆是原子级的光滑;最细微的阶梯结构将永远保持。Albrecht的研究为外延专家提供了如何以可控方式在其上生长超薄氧化层的关键指针。“原子的步距、生长温度和扩散长度都是决定性的参数,”Albrecht解释说。这个过程是热控制的。只有当所有的东西都被完美地调谐时,原子才能克服障碍,在正确的位置上被捕获并以化学方式结合。你可以把它想象成鸡蛋盒里的小圆球。”

当研究一种新材料时,有两个不同的阶段,G护nter Wagner说。一开始,生产成本有多高或生产过程有多慢并不重要。“我们现在正通过这一阶段,我们知道我们可以生产出高质量、高再现性的优质半导体。”第二阶段的目标是引起工业界对这种材料的兴趣。瓦格纳补充说:“因此,我们现在正在研究如何以同样的质量、更快、更便宜和更大规模生产氧化镓的参数。”费迪南德布劳恩研究所(FBH)已经在“削减”组件,下一步将在柏林理工大学电力电子实验室进行测试。顺便说一下,该项目是莱布尼兹协会自2016年以来资助的高性能半导体研究科学院Grafox的一部分,其中包括ikz、Paul Drude Institut F_er Festk_rpereektronik(PDI)、Fritz Haber Institut(Max Planck Society)、Tu Berlin和Humboldt Universit_t zu Berlin。

新的半导体将允许极快速,低损耗的电路被建立。“在国际上,特别是在日本和美国,对这种材料及其潜在应用的兴趣在过去三年中增长非常快。它也由国家一级的方案资助。至于应用,我们的重点是风力发电机、有轨电车、快速列车和电动汽车的电力管理,”瓦格纳说。在与大学、研究机构和工业合作伙伴的密切合作下,ikz希望在未来建立高性能器件的Ga2O3材料基础,超越当今的材料平台Si、SiC和GaN,在电力电子的重要应用领域。

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