Jobbar i ren kostym i labbet, Dr Sun håller upp en mall av galliumoxid. Kredit:KAUST
En enkel metod som använder väteklorid kan bättre kontrollera kristallstrukturen hos en vanlig halvledare och visar lovande för nya kraftfulla elektroniska applikationer.
De elektroniska komponenterna som används i datorer och mobila enheter arbetar med relativt lägre effekt. Men högeffektapplikationer, såsom styrning av elnät, kräver alternativa material som klarar mycket högre spänningar. Till exempel, ett isolerande material börjar leda elektricitet när fältet är tillräckligt högt, en effekt som kallas elektrisk haveri. Av denna anledning, kraftelektronik använder ofta nitridbaserade halvledare, som galliumnitrid, som har ett mycket högt nedbrytningsfält och kan odlas epitaxiellt för att skapa flerskiktiga halvledare.
Dock, ständigt ökande energibehov och viljan att effektivisera eldistributionen kräver ännu mer elektriskt robusta material. Galliumoxid (Ga 2 O 3 ) har ett teoretiskt nedbrytningsfält som är mer än dubbelt så stort som galliumnitridlegeringar och har därför framstått som en spännande kandidat för denna funktion. Den senaste utmaningen är dock ett enkelt sätt att avsätta galliumoxid av hög kvalitet på de substrat som vanligtvis används för kraftelektronik, som safir.
Haiding Sun, Xiaohang Li, och medarbetare från KAUST arbetade med industripartners Structured Materials Industries, Inc. i USA för att demonstrera en relativt enkel metod för att kontrollera kristallstrukturen hos galliumoxider på ett safirsubstrat med hjälp av en teknik som kallas metallorganisk kemisk ångavsättning (MOCVD). "Vi kunde kontrollera tillväxten genom att bara ändra en parameter:flödet av väteklorid i kammaren, " förklarar Sun. "Detta är första gången som väteklorid har använts under oxidtillväxt i en MOCVD-reaktor."
Olika polymorfer av galliumoxid kan odlas i en MOCVD-kammare genom att kontrollera flödet av väteklorid. Kredit:American Chemical Society
Atomerna i galliumoxid kan ordnas i ett antal olika former som kallas polymorfer. β‑Ga 2 O 3 är den mest stabila polymorfen men är svår att odla på substrat av andra material. ε‑Ga 2 O 3 har odlats på safir men dess tillväxttakt har varit svår att kontrollera.
Leds av Li, Sun och teamet visar att de kan uppnå exakt kontroll av tillväxthastigheten genom att tillsätta vätekloridgas till trietylgallium och syre i deras MOCVD-kammare. När de tillsatte vätekloriden vid en låg flödeshastighet, β‑Ga 2 O 3 bildas på safirsubstratet. Men när de ökade flödeshastigheten, de kunde skapa ε‑Ga 2 O 3 och även α‑Ga 2 O 3 .
"Vi använder nu kinetiska modeller för att avslöja hela mekanismen för kristallisationsprocessen när väteklorid används, säger Sun, "samtidigt som de arbetar med att tillverka transistorer med de tre faserna av galliumoxidfilmer."
KAUST har inlett ett nära samarbete med Semiconductor Manufacturing International Corporation, ett integrerat kretsgjuteri som tillhandahåller halvledarteknologitjänster, att uppfylla sitt uppdrag att söka galliumoxidhalvledare för praktiska kraftelektroniska tillämpningar.
