通過兩種最常見的技術(shù)，即Cz法和EFG法，生產(chǎn)β-Ga₂O₃的利弊是什么？

對于開發(fā)者來說，所有Ga₂O₃器件形式的關(guān)鍵的決定是對多型體的選擇。雖然有許多影響條件，但最重要的是β-Ga₂O₃室溫穩(wěn)定相。最有前途的特點之一是，它可以與Al₂O₃合金化，以增加帶隙并將透射窗推向紫外線更深的地方。

β-Ga₂O₃的優(yōu)點之一是，與其他寬禁帶材料不同，它可以從熔體中形成，使用諸如Cz技術(shù)，該技術(shù)已被用于制造硅片多年。該晶體也可以通過EFG法生產(chǎn)，這是一種用于商業(yè)生產(chǎn)β-Ga₂O₃的技術(shù)。此外，正在研究通過其他方法生產(chǎn)β-Ga₂O₃，例如垂直布里奇曼和光學(xué)浮區(qū)技術(shù) 。

在我們提到的晶體生長技術(shù)中，兩種主要的方法--Cz法和EFG法，其中有很多共同之處。它們都涉及到從熔化的Ga₂O₃中拉出固體單晶，熔化的溫度高于1800℃，并放置在銥金屬坩堝中。用Cz法生產(chǎn)的Ga₂O₃往往是圓柱形的，而用EFG法形成的Ga₂O₃則需要使用銥合金毛細管，它可以將材料拉成所需的形狀。

對摻雜的深入研究

對于所有半導(dǎo)體來說，純度是至關(guān)重要的。在β-Ga₂O₃方面，有機會通過摻雜其他元素故意取代位于其原子位點上的鎵，以誘發(fā)光學(xué)或電學(xué)現(xiàn)象；還有一種問題是，未摻雜的β-Ga₂O₃可能被雜質(zhì)所困擾。任何方法生產(chǎn)的β-Ga₂O₃中常見的雜質(zhì)包括硅、鐵和鉻。當晶體通過CZ法或EFG法生長時，也可能混入銥。金屬雜質(zhì)往往來自合成中使用的前體粉末，或來自高溫下可能污染熔體的坩堝。

另一種引起更多人興趣的特性是光致變色，華盛頓州立大學(xué)的材料研究所已經(jīng)在銅摻雜的β-Ga₂O₃中證明了這一點。在半導(dǎo)體中并不常見，但在銅摻雜的β-Ga₂O₃中，這種新的效應(yīng)是長期存在的，紫外線激發(fā)導(dǎo)致在室溫下保持的樣品變暗，并在該狀態(tài)下保持數(shù)周（見圖1）。請注意，加熱會加速這種變暗的逆轉(zhuǎn)。

圖1. 華盛頓州立大學(xué)的美洲獅頭像標志通過掩膜用275納米的LED光照到摻銅的樣品上，在那里停留了幾個星期，然后逐漸恢復(fù)到原來的均質(zhì)顏色。

生長的困難

β-Ga₂O₃晶體生長所取得的進展使研究人員能夠通過襯底，在其上沉積薄膜，并研究裝置，但這并不意味著在晶體生長方面不需要進一步的進展?，F(xiàn)在，β-Ga₂O₃生長非常昂貴，部分原因是銥的價格非常高，用這種金屬制成的坩堝重達0.5公斤以上。使問題復(fù)雜化的是β-Ga₂O₃的分解。當這種氧化物接近其熔化溫度時，它往往會被蒸發(fā)掉。為了抑制損失，生長室中需要有氧氣環(huán)境。然而，這種解決方法帶來了其他問題--銥會氧化和產(chǎn)生廢氣，或者在生長溫度下有氧氣存在的情況下可能會溶于熔體。

IKZ的團隊持續(xù)在Cz法方面取得進展，包括將材料擴展到直徑5厘米和長度6-8厘米的程度。由于β-Ga₂O₃的熱導(dǎo)率相對較低，在生長過程中保留大量的熱量。由于與自由載流子吸收有關(guān)的近紅外吸收，熔體-晶體界面可能變得不穩(wěn)定，形成開瓶器形狀，而不是典型的圓柱體。當材料動態(tài)地形成能夠散熱的幾何形狀時，就會產(chǎn)生螺旋式增長。為了防止這種情況發(fā)生，用CZ法生產(chǎn)的摻雜β-Ga₂O₃晶體的長度必須比其沒有自由載流子吸收的絕緣或未摻雜的同屬單晶有所限制。

由Cz法生產(chǎn)的晶體得到的基片通常是（100）取向的。然而，也可以生產(chǎn)拋光的（010）和（001）樣品。由于β-Ga₂O₃的不對稱重復(fù)晶格單晶結(jié)構(gòu)是電子和光學(xué)特性的原因，這些結(jié)晶學(xué)方向具有很高的價值，而這些特性是由特定的晶體方向所決定的。通過EFG法更容易生長出導(dǎo)電的β-Ga₂O₃。這是因為銥的毛細管迫使單晶在被拉動時保持其形狀。NCT將這種技術(shù)應(yīng)用于其商業(yè)化生產(chǎn)的錫摻雜β-Ga₂O₃。用這種方法生產(chǎn)的材料往往具有與Cz晶體類似的取向。然而，(201)取向也可以通過EFG生長獲得--由于這種生長技術(shù)的性質(zhì)，通過Cz法獲得這種取向要困難得多。

未來展望

在過去的十年中，在非故意摻雜和絕緣的Ga₂O₃襯底的生長方面取得了很大進展。在IKZ的努力下，使用CZ法獲得了更大、更高質(zhì)量的晶體，而NCT使用EFG生長也取得了進展。這些技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)足夠成熟，可以提供具有生產(chǎn)質(zhì)量的基底，這可以為薄膜生長提供基礎(chǔ)，或在其他應(yīng)用中發(fā)揮作用。

我們不應(yīng)滿足于現(xiàn)在取得的所有成果，還有許多要做的事情，包括通過CZ法推進導(dǎo)電β-Ga₂O₃的生長，并解決與該技術(shù)生產(chǎn)的晶體長度有關(guān)的問題。學(xué)術(shù)實驗室正在努力研究新的摻雜物和合金方法，許多機構(gòu)和個人正在將該材料推向新的應(yīng)用并發(fā)現(xiàn)有趣的現(xiàn)象。

文章出處compoundsemiconductor  News，CJGO編譯整理，謝謝。