Kontrol af krystalstrukturen af ​​galliumoxid

En simpel metode, der bruger hydrogenchlorid, kan bedre kontrollere krystalstrukturen af ​​en fælles halvleder og viser løfte om nye høj-powered elektroniske applikationer.

De elektroniske komponenter, der bruges i computere og mobile enheder, fungerer ved relativt lavere effekt. Men højeffektapplikationer, såsom styring af elnet, kræver alternative materialer, der kan klare meget højere spændinger. For eksempel, et isolerende materiale begynder at lede elektricitet, når feltet er højt nok, en effekt kendt som elektrisk nedbrud. Af denne grund, kraftelektronik bruger ofte nitrid-baserede halvledere, såsom galliumnitrid, som har et meget højt nedbrydningsfelt og kan epitaksialt dyrkes til at skabe flerlags halvledere.

Imidlertid, stadigt stigende energikrav og ønsket om at effektivisere eldistributionen kræver endnu mere elektrisk robuste materialer. Galliumoxid (Ga ₂ O ₃ ) har et teoretisk nedbrydningsfelt mere end det dobbelte af galliumnitrid-legeringer og har derfor vist sig som en spændende kandidat til denne funktion. Den seneste udfordring er imidlertid en enkel måde at deponere galliumoxid af høj kvalitet på de substrater, der normalt bruges til strømelektronik, såsom safir.

Skjulende sol, Xiaohang Li, og kolleger fra KAUST arbejdede med industripartnere Structured Materials Industries, Inc. i USA for at demonstrere en relativt enkel metode til at kontrollere krystalstrukturen af ​​galliumoxider på et safirsubstrat ved hjælp af en teknologi kendt som metalorganisk kemisk dampaflejring (MOCVD). "Vi var i stand til at kontrollere væksten ved kun at ændre én parameter:flowhastigheden af ​​hydrogenchlorid i kammeret, " forklarer Sun. "Dette er første gang, at hydrogenchlorid er blevet brugt under oxidvækst i en MOCVD-reaktor."

Atomerne i galliumoxid kan arrangeres i en række forskellige former kendt som polymorfer. β‑Ga ₂ O ₃ er den mest stabile polymorf, men er svær at dyrke på substrater af andre materialer. ε -Ga ₂ O ₃ er blevet dyrket på safir, men dens væksthastighed har været svær at kontrollere.

Anført af Li, Sun og holdet viser, at de kan opnå præcis kontrol af væksthastigheden ved at tilføje hydrogenchloridgas til triethylgallium og oxygen i deres MOCVD-kammer. Når de tilsatte hydrogenchloridet ved en lav strømningshastighed, β‑Ga ₂ O ₃ dannet på safirsubstratet. Men da de øgede strømningshastigheden, de var i stand til at oprette ε -Ga ₂ O ₃ og endda α -Ga ₂ O ₃ .

"Vi bruger nu kinetiske modeller til at afsløre hele mekanismen i krystallisationsprocessen, når hydrogenchlorid bruges, " siger Sun, "mens du også arbejder på at fremstille transistorer ved hjælp af de tre faser af galliumoxidfilm."

KAUST har indledt et tæt samarbejde med Semiconductor Manufacturing International Corporation, et integreret kredsløbsstøberi, der leverer halvlederteknologitjenester, at opfylde sin mission om at forfølge gallium-oxid-halvledere til praktiske strøm-elektroniske applikationer.