Tepelná stabilita vrstiev oxidu galitého: významné poznatky pre polovodičové technológie

496

Ako stabilné sú vrstvy oxidu galitého pri vysokých teplotách? Túto otázku skúmali naši kolegovia a kolegyne z oddelenia III-V polovodičov, na Elektrotechnickom ústave Slovenskej akadémie vied. Ich výskum prináša dôležité poznatky o perspektívnom polovodičovom materiáli – oxide galitom (Ga₂O₃), ktorý si získal veľký záujem vedeckej aj priemyselnej komunity vďaka svojim výnimočným vlastnostiam.

Ga2O3 vyniká tým, že ponúka niekoľkonásobne lepšie vlastnosti ako súčasné polovodiče používané v aplikáciách s vysokým výkonom a vysokým napätím. Navyše sa dá vyrábať vo forme objemových kryštálov, čo je kľúčové pre tvorbu tenkých vrstiev Ga₂O₃ v mikroelektronických súčiastkach. Táto technológia má potenciál byť lacná a zároveň zvyšovať výkon súčasných vysokovýkonných systémov, čo môže otvoriť cestu pre rýchle nabíjačky pre elektrické vozidlá alebo efektívnejšie meniče napätia.

V tejto štúdii tím úspešne pripravil tenké vrstvy dvoch rôznych fáz Ga₂O₃ – metastabilnej α-fázy a stabilnej β-fázy – na zafírových substrátoch. Tieto vrstvy boli vyrobené pomocou modifikovanej metódy chemickej depozície z organokovových pár s kvapalným vstrekovaním prekurzora (LI-MOCVD). Na testovanie ich tepelnej stability boli vrstvy postupne zahrievané až na 1100 °C vo vákuovej komore, pričom sa priebežne monitorovali ich štruktúrne vlastnosti.

Výsledky ukázali, že β-fáza zostala stabilná aj po 30 minútach pri najvyššej teplote. Na druhej strane, α-fáza vykazovala rôzne úrovne tepelnej odolnosti – vydržala 20 minút pri 700 °C, 10 minút pri 750 °C a 8 minút pri 800 °C, kým nakoniec degradovala pri 850 °C. Tím tiež pozoroval známky postupného zvyšovania mechanického napätia počas zahrievania, ktoré však po ochladení na izbovú teplotu zaniklo.

„Tieto výsledky predstavujú dôležitý poznatok, ktorý nám umožňuje vyvinúť technológiu na výrobu komponentov z Ga₂O₃ tak, aby nedošlo k degradácii materiálu počas výrobného procesu,“ uviedol Filip Gucmann.

Tento výskum posúva naše chápanie tepelnej stability vrstiev oxidu galitého a otvára nové možnosti pre technológiu spoľahlivejších a efektívnejších polovodičových súčiastok. Identifikáciou teplotných limitov rôznych fáz Ga₂O₃ prináša táto štúdia cenné informácie pre vývoj aplikácií s vysokým výkonom a vysokým napätím, vrátane nabíjačiek pre elektrické vozidlá a meničov napätia.

Obrázok: Záznamy z merania RTG difrakcie, ktoré zodpovedajú intenzitám signálu z α- (vľavo) a β-Ga2O3 (vpravo) vrstiev vyhrievaných až po teplotu 1100°C.

 

Autori: Filip Gucmann, Peter Nádaždy, Kristína Hušeková, Edmund Dobročka, Juraj Priesol,

Fridrich Egyenes, Alexander Šatka, Alica Rosová, Milan Ťapajna

Link: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369800122008162