β-Phasen-Galliumoxid (β-Ga₂O₃) weist eine ultrabreite Bandlücke von etwa 4,9 eV auf, ein elektrisches Durchbruchfeld und eine hervorragende Strahlungsresistenz. Diese Eigenschaften ermöglichen es ihm, eine hervorragende Leistung in harten Strahlungsumgebungen zu gewährleisten und ein großes Anwendungspotenzial in der Luft- und Raumfahrt, der Kernindustrie und anderen Bereichen zu demonstrieren. Power Wafertech Group liefert β-Ga₂O₃-Substrate mit den Orientierungen (100), (010), (001) und (201). Die detaillierten Spezifikationen sind wie folgt:

1. Spezifikationen des Beta-Galliumoxid-Substrats

2. Ga₂O₃-Phasenstabilität und Kristallstruktur

Galliumoxid besitzt fünf Allotrope: α, β, γ, δ und ε, von denen β-Ga₂O₃ thermodynamisch am stabilsten ist. Bei ausreichend hohen Temperaturen werden alle anderen metastabilen Phasen in die β Phase umgewandelt, die exklusive Phase am Schmelzpunkt (~1800°C) ist. Die freien Entstehungsenergien verschiedener Phasen erfüllen: β

Abb. 1 — Ga₂O₃-Phasenübergangsdiagramm.

β-Ga₂O₃ ist die einzige Ga₂O₃-Phase, die effizient und kostengünstig mittels Schmelzwachstumsmethoden in Massenproduktion hergestellt werden kann. Seine Kristallstruktur ist monoklin, Raumgruppe C2/m, mit Gitterkonstanten: a = 12,23(2) Å, b = 3,04(1) Å, c = 5,80(1) Å, α = γ = 90°, β = 103,7(3)°. Jede Einheitszelle enthält zwei unäquivalente Ga-Stellen (GaI., GaII.) und drei unäquivalente O-Stellen (OI., OII., OIII.). GaI. befindet sich in einer leicht verzerrten tetraedrischen Koordinationsumgebung, die an vier Sauerstoffatome gebunden ist; GaII. befindet sich in einer stark verzerrten oktaedrischen Umgebung, die an sechs Sauerstoffatome gebunden ist. OI. und OII. sind beide drei-koordiniert: OI.-Bindungen mit zwei GaI. und einer GalII., während OII.-Bindungen mit drei GaII.. OIII. ist vier-koordiniert, verbindet sich mit zwei GaI. und zwei GaII.. Diese verzerrte Gitterstruktur verleiht β-Ga₂O₃-Substrat nicht nur eine hohe thermodynamische Stabilität und ausgezeichnete mechanische Festigkeit, sondern führt auch zu erheblicher Anisotropie in Oberflächenenergie, Wärmeleitfähigkeit und Trägerbeweglichkeit über verschiedene kristallographische Ebenen.

3. Einkristallwachstumstechniken für Galliumoxid

Ungefähr 50 % der Kosten für Ga₂O₃-Halbleiterprodukte stammen aus der Substratherstellung, und der Schlüssel zur Substratherstellung liegt in der Wahl der Einkristallwachstumsmethode. Die wichtigsten bestehenden Wachstumsmethoden umfassen kantendefiniertes filmgeführtes Wachstum (EFG), Czochralski (CZ), vertikalen Bridgman (VB), Schwimmenzone (FZ), Verneuil, Gießen und Oxidkristallwachstum aus dem Kalttiegel (OCCC). Jede Methode hat ihre Vor- und Nachteile, aber nur EFG wurde industrialisiert. Tabelle 1 vergleicht die technischen Merkmale mehrerer wichtiger Wachstumsmethoden.

Tabelle 1. Vergleich der wichtigsten β-Ga₂O₃ Einkristallwachstumsmethoden

4. Herausforderungen in der Substratverarbeitung β-Ga₂O₃

Hochpräzise, schädenarme Substrate bilden die Grundlage leistungsstarker Bauteile. β-Ga₂O₃ ist aufgrund seiner starken chemischen Trägheit, Härte und Sprödigkeit, erheblicher Anisotropie und ausgeprägter Spalteigenschaften ein typisches, schwer zu bearbeitendes Material. Das mechanische Verhalten variiert stark zwischen verschiedenen Kristallebenen: Bei derselben Last ist die Schadenstiefe auf der (001)-Ebene etwa doppelt so hoch wie auf der (100)-Ebene; Die Nanoindentations-Schnitttiefenbereiche auf den Ebenen (010) und (100) liegen bei 96,5–576,8 nm bzw. 84,6–421,6 nm. Mikrosäulenkompressionstests bestätigen ebenfalls signifikante Unterschiede in Bruchspannung und Dehnung zwischen den (200), (001) und (010) Ebenen.

Diese Eigenschaften führen zu Problemen wie sprödem Abblättern, Rissausbreitung und niedrigen Polierungsraten während der Verarbeitung. Studien zeigen, dass die Richtung 105° innerhalb der (010)-Ebene von Ga₂O₃ die machbarste Ausrichtung ist, was eine stabilere Materialentfernung und weniger Schäden bietet; daher wird die (010)-Ebene als bevorzugte Verarbeitungsfläche empfohlen. Die Entwicklung orientierungsspezifischer Verfahren und die Anpassung chemisch-mechanischer Polierungssysteme (CMP) sind entscheidend für die Herstellung hochwertiger β-Ga₂O₃-Wafer-Wafers.

5. Beta Ga₂O₃ Wafer-Anwendungen

Basierend auf den oben genannten Materialeigenschaften und Substratverarbeitungsfähigkeiten zeigt β-Ga₂O₃ einzigartige Vorteile in mehreren Bereichen der optoelektronischen Bauelemente.

5.1 Tief-UV-Photodetektion

Die Cutoff-Wellenlänge von β-Ga₂O₃ liegt im tief-ultravioletten (DUV)-Bereich von 250–280 nm, mit praktisch keiner Antwort auf sichtbares und infrarotes Licht, was eine hochselektive, hintergrundrauscharme DUV-Detektion ermöglicht.

5.2 Nukleare Strahlungsdetektion

β-Ga₂O₃ besitzt eine hohe Dichte von 6,44 g·cm⁻³ und ausgezeichnete Szintillationseigenschaften, was eine effiziente Detektion von α, β, γ Teilchen und Neutronenstrahlung ermöglicht. Er hält einen langfristig stabilen Betrieb unter Hochdosis-Strahlungsumgebungen und weist eine starke Resistenz gegen Strahlenschäden auf.

5.3 Weitere Anwendungen

Darüber hinaus besitzt β-Ga₂O₃ eine herausragende mechanische Festigkeit und chemische Korrosionsbeständigkeit, was es vielversprechend für Hochtemperatursensoren, korrosionsbeständige photonische Geräte und Extremumgebungselektronik macht.