說(shuō)到晶體，我們談?wù)摰氖怯糜陔娮?光子技術(shù)平臺(tái)研究、開(kāi)發(fā)和服務(wù)的真正大體積晶體，萊布尼茲研究所F_r Kristallz_chtung（ikz）是第yi個(gè)?？扛?。在這里，從一個(gè)非常熱的熔融體，他們生長(zhǎng)同位素純硅晶體到2升瓶大小，用于特殊用途（例如新標(biāo)準(zhǔn)千克），并開(kāi)發(fā)出精煉和新的方法，以單晶體形式生產(chǎn)錫、鋅和銦等金屬的導(dǎo)電氧化物。

幾年來(lái)，ikz的科學(xué)家們也一直致力于研究這種材料氧化鎵（ga2O3）。這種新型半導(dǎo)體的帶隙相對(duì)較大，為4.8電子伏，這意味著在電力電子領(lǐng)域，特別是在高電壓被轉(zhuǎn)換成低電壓的情況下，氧化鎵至少部分地可以超過(guò)當(dāng)前恒星的階段：硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）。

“到目前為止，SiC是唯yi一種不易產(chǎn)生明顯缺陷的基體，但外延生長(zhǎng)速度相對(duì)較慢。對(duì)于氮化鎵來(lái)說(shuō)，仍然沒(méi)有有效的方法來(lái)生產(chǎn)大體積的合適的單晶。因此，它被沉積到像藍(lán)寶石或硅這樣的外來(lái)基板上，但它們的不同晶格常數(shù)導(dǎo)致了外延過(guò)程中的錯(cuò)位。這對(duì)組件的功能不利，”ikz模擬與特征化部門負(fù)責(zé)人MartinAlbrecht博士解釋說(shuō)。

氧化鎵的情況完全不同：“我們已經(jīng)可以從大約5 x 10厘米大小的熔體中生長(zhǎng)出單晶。這種新材料甚至可以在1014到1020cm-3的范圍內(nèi)被摻雜?！?/span>

然而，走這么遠(yuǎn)是一段漫長(zhǎng)的旅程。盡管在上世紀(jì)60年代對(duì)氧化鎵進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，但這種化合物的真正發(fā)展始于近幾年。2009年，ikz開(kāi)始生長(zhǎng)和開(kāi)發(fā)這種材料的大塊單晶體，這對(duì)研究人員來(lái)說(shuō)需要很多技巧。氧化鎵在約1800°C下熔化，并傾向于降解成亞氧化鎵、金屬鎵和分子氧。因此，為了從熔化物中生長(zhǎng)出單晶，我們需要在生長(zhǎng)氣氛中有很高的氧氣壓力，”IKZ晶體生長(zhǎng)專家Zbigniew Galazka博士解釋說(shuō)。除此之外，用于熔化氧化鎵的銥坩堝在有這么多氧氣的情況下會(huì)強(qiáng)烈氧化?！暗珜?duì)于每一個(gè)問(wèn)題，都有一個(gè)解決辦法，”加拉茲卡帶著勝利的光芒說(shuō)。他們通過(guò)仔細(xì)研究氧化鎵、氧和銥的“可怕的三重態(tài)”的熱力學(xué)發(fā)現(xiàn)了這個(gè)溶液。是的，銥氧化成二氧化銥，這是非常有害的，但只有在低溫到中等溫度。在高溫下，形成三氧化銥而不是二氧化銥，后者是氣態(tài)的并蒸發(fā)。因此，研究人員想出了一個(gè)技巧，這是他們?cè)趪?guó)際上獲得zhuanli的，那就是在開(kāi)始加熱的過(guò)程中，只向生長(zhǎng)爐中引入少量的氧氣，稱為直拉法，只有當(dāng)溫度上升到1200-1400°C以上時(shí)，他們才會(huì)增加氧氣量并抽空。氣態(tài)三氧化銥遠(yuǎn)離生長(zhǎng)晶體。這使我們能夠生長(zhǎng)大直徑2英寸的Ga2O3單晶，并具有進(jìn)一步的放大能力。這種大體積的晶體降低了單位體積的成本，更重要的是，可以制備用于外延和*終器件的大晶圓。

從獲得的晶體中，他們制備了晶圓，并將其發(fā)送給加利福尼亞州圣巴巴拉大學(xué)的同事，他們將晶圓用作分子束外延的基底，在晶圓上沉積氧化鎵層，并產(chǎn)生同外延結(jié)構(gòu)?！叭缓?，隨著該研究所其他項(xiàng)目在2012年結(jié)束，我們的負(fù)責(zé)人說(shuō)：我們可以培育出*秀的晶體。我們有外延的經(jīng)驗(yàn)。那么，為什么美國(guó)的同事們要玩得盡興呢？“G_nter Wagner博士是半導(dǎo)體氧化物層工作組的負(fù)責(zé)人。然后，從萊布尼茲協(xié)會(huì)（從那時(shí)起從聯(lián)邦教育和研究部）獲得資金，并獲得氣相外延設(shè)備。從那時(shí)起，ikz的研究人員就一直在用蒸汽將自己的氧化鎵沉積到自己的單晶晶片上。

于是開(kāi)始了精細(xì)的工作，一些人在黑暗中掙扎，因?yàn)闆](méi)有人真正知道這種新材料有什么性質(zhì)。帶隙是直接的還是間接的？可能出現(xiàn)什么缺陷？那半導(dǎo)體的光學(xué)特性是什么呢？要回答這樣的基本問(wèn)題，我們需要以良好的、可重復(fù)的質(zhì)量獲得材料。MartinAlbrecht的小組在電子顯微鏡下仔細(xì)觀察了單晶體中的原子排列。當(dāng)其他金屬氧化物以立方或金剛石結(jié)構(gòu)結(jié)晶時(shí)，氧化鎵形成單斜晶體。這意味著晶格常數(shù)a、b和c略有不同（見(jiàn)圖1）。我們首先要弄清楚哪些表面*適合沉積，”馬丁·阿爾布雷特解釋說(shuō)。一旦確定了這一點(diǎn)，就必須按照適當(dāng)?shù)姆较蚯懈詈蛼伖鈫尉?，然后將它們發(fā)送給柏林公司Crystec。

然而，即使拋光到完美，沒(méi)有晶圓是原子級(jí)的光滑；*細(xì)微的階梯結(jié)構(gòu)將永遠(yuǎn)保持。Albrecht的研究為外延專家提供了如何以可控方式在其上生長(zhǎng)超薄氧化層的關(guān)鍵指針?！霸拥牟骄?、生長(zhǎng)溫度和擴(kuò)散長(zhǎng)度都是決定性的參數(shù)，”Albrecht解釋說(shuō)。這個(gè)過(guò)程是熱控制的。只有當(dāng)所有的東西都被完美地調(diào)諧時(shí)，原子才能克服障礙，在正確的位置上被捕獲并以化學(xué)方式結(jié)合。你可以把它想象成雞蛋盒里的小圓球?！?/span>

當(dāng)研究一種新材料時(shí)，有兩個(gè)不同的階段，G護(hù)nter Wagner說(shuō)。一開(kāi)始，生產(chǎn)成本有多高或生產(chǎn)過(guò)程有多慢并不重要?！拔覀儸F(xiàn)在正通過(guò)這一階段，我們知道我們可以生產(chǎn)出高質(zhì)量、高再現(xiàn)性的優(yōu)質(zhì)半導(dǎo)體。”第二階段的目標(biāo)是引起工業(yè)界對(duì)這種材料的興趣。瓦格納補(bǔ)充說(shuō)：“因此，我們現(xiàn)在正在研究如何以同樣的質(zhì)量、更快、更便宜和更大規(guī)模生產(chǎn)氧化鎵的參數(shù)?！辟M(fèi)迪南德布勞恩研究所（FBH）已經(jīng)在“削減”組件，下一步將在柏林理工大學(xué)電力電子實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試。順便說(shuō)一下，該項(xiàng)目是萊布尼茲協(xié)會(huì)自2016年以來(lái)資助的高性能半導(dǎo)體研究科學(xué)院Grafox的一部分，其中包括ikz、Paul Drude Institut F_er Festk_rpereektronik（PDI）、Fritz Haber Institut（Max Planck Society）、Tu Berlin和Humboldt Universit_t zu Berlin。

新的半導(dǎo)體將允許極快速，低損耗的電路被建立?！霸趪?guó)際上，特別是在日本和美國(guó)，對(duì)這種材料及其潛在應(yīng)用的興趣在過(guò)去三年中增長(zhǎng)非常快。它也由國(guó)家一級(jí)的方案資助。至于應(yīng)用，我們的重點(diǎn)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)、有軌電車、快速列車和電動(dòng)汽車的電力管理，”瓦格納說(shuō)。在與大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和工業(yè)合作伙伴的密切合作下，ikz希望在未來(lái)建立高性能器件的Ga2O3材料基礎(chǔ)，超越當(dāng)今的材料平臺(tái)Si、SiC和GaN，在電力電子的重要應(yīng)用領(lǐng)域。