三元超宽禁带材料 (AlⅹGa₁-𝗑)₂0₃

将 Ga₂O₃ 与 Al₂O₃ 合金化的晶体有望开启超宽带隙器件的新时代

将Ga₂O₃ 与 Al₂O₃ 混合形成的新型合金有望生产具有极高击穿电压的功率器件，以及延伸到深紫外光的光电探测器。

培育这种令人兴奋的新材料 ß-(Al_xGa_1-x)₂0₃ 的努力还处于起步阶段，但俄罗斯圣彼得堡的一个团队刚刚报告了最近的进展。 ITMO 大学的这些研究人员刚刚宣布，他们已经使用 提拉法（Czochralski ）方法生产了一系列块状 ß-(Al_xGa_1-x)₂0₃ 晶体，其中铝含量高达 0.23。当切割成衬底时，这种形式的晶体可以为基于 ß-(Al_xGa_1-x)₂0₃ 异质结构的超宽带隙器件提供基础。

圣彼得堡的这一成功超越了印度团队的胜利，该团队在 2020 年报告了通过浮区法制造了铝含量高达 0.14 的 ß-(Al_xGa_1-x)₂0₃。

浮区法的优点包括不使用坩埚，并且由于仅熔化一小部分材料，因此有机会获得更纯净的晶体。由于后者的属性，这种方法通常用于材料的纯化。

俄罗斯团队发言人 Dmitri Bauman 评论说：“但与提拉法（Czochralski ）相比，这种技术不能用于基板衬底生产，因为不可能获得大直径的晶体。”

他和同事们在 Nika-3 系统中生产了他们的晶体。尽管这种生长工具来自切尔诺戈洛夫卡的 Ezan 工厂，专为制造大块蓝宝石而设计和制造，但它能够从熔体中生产出非常广泛的晶体。

“我们在 2014 年购买它的时候只是为了氧化镓项目，并对它进行了显著地改进，尤其是热区，”Bauman说。

该团队使用含有Al₂0₃的粉状Ga₂0₃作为起始材料，生产了八个(Al_xGa_1-x)₂0₃样品，其中铝含量范围从 0 到 0.23 不等。铝含量较低的样品是透明的，但铝含量较高的样品逐渐变成浅灰色。在X射线衍射测量和透射电子显微镜中观察到，晶体质量的恶化伴随着颜色的变化。吸收测量显示，(Al_xGa_1-x)₂0₃比Ga₂0₃带隙增加了0.4eV。

根据 Bauman 的说法，一旦将铝添加到 Ga₂O₃中，就需要防止缺陷的形成——添加的铝越多，晶体质量的下降就越大。

“正如我们所看到的，在铝含量约为 5% 或更低的情况下，可以生长出质量合适的晶体，”Bauman 补充说，他解释说有两个问题需要解决。部分问题是铝-氧的键长比镓和氧的键长短。另一个问题是Ga₂O₃与Al₂O₃形成固溶体的氧化物具有不同的晶格。

该团队现在正在进行三个不同方向的研究。

“第一项也是主要的是一种工业技术的发展，用于制造低缺陷的块状氧化镓晶体及其衬底，”Bauman解释说。 “这个方向已经从科学的方向过渡到了技术阶段。”

该团队正在继续开发 (Al_xGa_1-x)₂0₃。这项工作将解决科学和技术上的未知数，包括与这种氧化物的热特性相关的未知数。

“最后，研究的最后一个方向是在外延生长层和器件结构的过程中测试我们的衬底。”

上图显示了由提拉法（ Czochralski ）生产的 (Al_xGa_1-x)₂0₃ 晶体的底部视图。

参考资料

D. Zakgeim et al. Appl. Phys. Express 15 025501 (2022)

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