L'ossido di gallio in fase β (β-Ga₂O₃) presenta una banda banda ultralarga di circa 4,9 eV, un campo elettrico di alta rottura e un'eccezionale resistenza alle radiazioni. Queste proprietà le permettono di mantenere ottime prestazioni in ambienti di radiazioni difficili, dimostrando un grande potenziale di applicazione nell'aerospazio, nell'industria nucleare e in altri settori. Power Wafertech Group fornisce substrati β-Ga₂O₃ con orientamenti di (100), (010), (001) e (201). Le specifiche dettagliate sono le seguenti:

1. Specifiche del substrato di ossido di beta gallio

2. Stabilità di fase Ga₂O₃ e struttura cristallina

L'ossido di gallio ha cinque allotropi: α, β, γ, δ e ε, tra cui β-Ga₂O₃ è il più stabile termodinamicamente. Quando riscaldate a temperature sufficientemente elevate, tutte le altre fasi metastabili si trasformano nella fase β, che è la fase esclusiva al punto di fusione (~1800°C). Le energie libere di formazione delle diverse fasi soddisfano: β

Fig. 1 — diagramma della transizione di fase Ga₂O₃.

β-Ga₂O₃ è l'unica fase Ga₂O₃ che può essere prodotta in massa in modo efficiente e a basso costo tramite metodi di crescita del fuso. La sua struttura cristallina è monoclinica, gruppo spaziale C2/m, con costanti reticolari: a = 12,23(2) Å, b = 3,04(1) Å, c = 5,80(1) Å, α = γ = 90°, β = 103,7(3)°. Ogni cella unitaria contiene due siti Ga non equivalenti (GaI., GaII.) e tre siti O non equivalenti (OI., OII., OIII.). GaI. risiede in un ambiente di coordinazione tetraedrico leggermente distorto, legato a quattro atomi di ossigeno; GaII. si trova in un ambiente ottaedrico altamente distorto, legato a sei atomi di ossigeno. OI. e OII. sono entrambe a tre coordinate: legami OI. con due GaI. e uno GaII., mentre OII. legami con tre GaII.. OIII. è a quattro coordinate, si lega con due GaI. e due GaII.. Questa struttura reticolare distorta non solo conferisce al substrato β-Ga₂O₃ un'elevata stabilità termodinamica e un'eccellente resistenza meccanica, ma porta anche a un'anisotropia significativa nell'energia superficiale, nella conducibilità termica e nella mobilità dei portatori attraverso diversi piani cristallografici.

3. Tecniche di crescita dei monocristalli per ossido di gallio

Circa il 50% del costo dei prodotti a semiconduttore Ga₂O₃ deriva dalla produzione di substrati, e la chiave della fabbricazione del substrato risiede nella scelta del metodo di crescita a cristallo singolo. I principali metodi di crescita esistenti includono la crescita a pellicola definita a bordo (EFG), Czochralski (CZ), la Bridgman verticale (VB), la zona galleggiante (FZ), Verneuil, la colata e la crescita di cristalli ossuti da crogiolo freddo (OCCC). Ogni metodo ha i suoi vantaggi e svantaggi, ma solo l'EFG è stato industrializzato. La Tabella 1 confronta le caratteristiche tecniche di diversi metodi di crescita principali.

Tabella 1. Confronto dei principali metodi di crescita dei monocristalli β-Ga₂O₃

4. Sfide di elaborazione β-Ga₂O₃

I substrati ad alta precisione e a basso danno sono la base dei dispositivi ad alte prestazioni. β-Ga₂O₃ è un materiale tipico difficile da lavorare a causa della sua forte inerzia chimica, durezza e fragilità, significativa anisotropia e pronunciate caratteristiche di scinditura. I comportamenti meccanici variano notevolmente tra i diversi piani cristallini: con lo stesso carico, la profondità di danno sul piano (001) è circa il doppio di quella sul piano (100); Gli intervalli di profondità di taglio da nanoincavazione sui piani (010) e (100) sono rispettivamente 96,5–576,8 nm e 84,6–421,6 nm. I test di compressione dei micropilastri confermano anche differenze significative nello stress e nella deformazione da frattura tra i piani (200), (001) e (010).

Queste caratteristiche portano a problemi come sfaldatura fragile, propagazione delle crepe e bassi tassi di lucidatura durante la lavorazione. Gli studi indicano che la direzione 105° all'interno del piano (010) di Ga₂O₃ è l'orientamento più lavorabile, offrendo una rimozione del materiale più stabile e meno danni; Pertanto, il piano (010) è raccomandato come superficie di elaborazione preferita. Sviluppare processi specifici per orientamento e adattare sistemi di lucidatura chimico-meccanica (CMP) sono fondamentali per ottenere una fabbricazione di wafer di alta qualità β-Ga₂O₃.

5. Applicazioni Beta Ga₂O₃ Wafer

Basandosi sulle proprietà dei materiali sopra indicate e sulle capacità di lavorazione dei substrati, β-Ga₂O₃ dimostra vantaggi unici in diversi ambiti di dispositivi optoelettronici.

5.1 Fotorilevamento a raggi UV profondi

La lunghezza d'onda di soglia di β-Ga₂O₃ si trova nella regione dell'ultravioletto profondo (DUV) di 250–280 nm, con praticamente nessuna risposta alla luce visibile e infrarossa, consentendo così una rilevazione altamente selettiva e a basso rumore di fondo delle DUV.

5.2 Rilevamento delle radiazioni nucleari

β-Ga₂O₃ ha un'alta densità di 6,44 g·cm⁻³ e eccellenti proprietà di scintillazione, permettendo una rilevazione efficiente di particelle α, β, γ e radiazioni neutroniche. Mantiene un funzionamento stabile a lungo termine in ambienti ad alta dose di radiazioni e presenta una forte resistenza ai danni da radiazioni.

5.3 Applicazioni aggiuntive

Inoltre, il β-Ga₂O₃ possiede un'eccezionale resistenza meccanica e alla corrosione chimica, il che lo rende promettente per dispositivi fotonici ad alta temperatura, resistenti alla corrosione e elettronica per ambienti estremi.