β-фазный оксид галлия (β-Ga₂O₃) обладает сверхширокой забороченной щелью примерно 4,9 эВ, высоким пробоем электрического поля и выдающейся радиационной устойчивостью. Эти свойства позволяют ему поддерживать отличные характеристики в условиях сурового радиации, демонстрируя большой потенциал применения в аэрокосмической, ядерной промышленности и других областях. Power Wafertech Group поставляет субстраты β-Ga₂O₃ с ориентациями (100), (010), (001) и (201). Подробные характеристики следующие:

1. Технические характеристики субстрата на основе бета-оксида галлия

2. Фазовая стабильность и кристаллическая структура Ga₂O₃

Оксид галлия состоит из пяти аллотропов: α, β, γ, δ и ε, среди которых β-Ga₂O₃ является наиболее термодинамически стабильным. При нагреве до достаточно высоких температур все остальные метастабильные фазы превращаются в β-фазу, которая является исключительной фазой при температуре плавления (~1800°C). Свободные от образования энергии различных фаз удовлетворяют: β

Рис. 1 — Диаграмма фазового перехода Ga₂O₃.

β-Ga₂O₃ — единственная фаза Ga₂O₃, которую можно массово производить эффективно и с низкой стоимостью с помощью методов расплава. Кристаллическая структура моноклинна, пространственная группа C2/m, с постоянными решётки: a = 12,23(2) Å, b = 3,04(1) Å, c = 5,80(1) Å, α = γ = 90°, β = 103,7(3)°. Каждая ячейка содержит два неэквивалентных Ga-сайта (GaI., GaII.) и три неэквивалентных O сайта (OI., OII., OIII.). GaI. находится в слегка искажённой тетраэдрической координационной среде, связанной с четырьмя атомами кислорода; Галл. находится в сильно искажённой октаэдрической среде, связанной с шестью атомами кислорода. OI. и OII. оба имеют трёхкоординированную связь: OI. связи с двумя GaI. и одной GaII, а OII. связи с тремя GaII... OIII. — четырёхскоординированный, соединяется с двумя галами и двумя галами... Эта искажённая структура решётки не только обеспечивает β-Ga₂O₃ подложку высокой термодинамической стабильностью и отличной механической прочностью, но и приводит к значительной анизотропии поверхностной энергии, теплопроводности и подвижности носителей на различных кристаллографических плоскостях.

3. Методы роста однокристаллов для оксида галлия

Примерно 50% стоимости полупроводниковых продуктов Ga₂O₃ приходится на производство подложок, а ключ к изготовлению подложок заключается в выборе метода выращивания монокристаллов. Основные существующие методы роста включают выращивание с определёнными краями (EFG), Чохральски (CZ), вертикальный Бриджман (VB), плавающую зону (FZ), верней, отливку и выращивание оксидных кристаллов из холодного тигла (OCCC). У каждого метода есть свои плюсы и недостатки, но только EFG была индустриализирована. Таблица 1 сравнивает технические характеристики нескольких основных методов роста.

Таблица 1. Сравнение основных методов роста однокристаллов β-Ga₂O₃

4. Проблемы обработки подложки β-Ga₂O₃

Высокоточные, низкоповреждённые субстраты являются основой высокопроизводительных устройств. β-Ga₂O₃ — типичный материал, трудный для обработки благодаря своей высокой химической инертности, твёрдости и хрупкости, значительной анизотропии и выраженным расщепленным характеристикам. Механическое поведение заметно варьируется на разных кристаллических плоскостях: при одной и той же нагрузке глубина повреждения на плоскости (001) примерно вдвое превышает плоскость (100); Диапазоны глубины резки наноуглубины на плоскостях (010) и (100) составляют соответственно 96,5–576,8 нм и 84,6–421,6 нм. Микростолбовые компрессионные тесты также подтверждают значительные различия в напряжении и деформации перелома между плоскостями (200), (001) и (010).

Эти характеристики приводят к таким проблемам, как хрупкое отслаивание, распространение трещин и низкая скорость полировки во время обработки. Исследования показывают, что направление 105° внутри плоскости (010) Ga₂O₃ является наиболее пригодным для обработки ориентацией, обеспечивая более стабильное удаление материала и меньше повреждений; поэтому рекомендуется использовать плоскость (010) в качестве предпочтительной обработочной поверхности. Разработка ориентированных процессов и адаптация систем химической механической полировки (CMP) являются ключом к высокому качеству изготовления пластин β Ga₂O₃.

5. Приложения пластин Beta Ga₂O₃

Основываясь на вышеуказанных свойствах материала и возможностях обработки подложки, β-Ga₂O₃ демонстрирует уникальные преимущества в нескольких областях оптоэлектронных устройств.

5.1 Глубокое УФ-фотодетектирование

Отсечная длина волны β-Ga₂O₃ находится в области глубокого ультрафиолетового (DUV) диапазона 250–280 нм, практически без отклика на видимый и инфракрасный свет, что позволяет высоко избирательно и низко фоновое обнаружение DUV.

5.2 Обнаружение ядерного излучения

β-Ga₂O₃ обладает высокой плотностью 6,44 г·см⁻³ и отличными сцинтилляционными свойствами, что позволяет эффективно обнаруживать α, β, γ частицы и нейтронное излучение. Он поддерживает долгосрочную стабильную работу в условиях высокодозированного излучения и демонстрирует высокую устойчивость к радиационному повреждению.

5.3 Дополнительные применения

Кроме того, β-Ga₂O₃ обладает выдающейся механической прочностью и химической коррозиейной устойчивостью, что делает его перспективным для высокотемпературного датчика, коррозионно-устойчивых фотонных устройств и электроники в экстремальных условиях.