Mit einer Bandlückenenergie von etwa 4,7–4,9 eV, die deutlich größer ist als bei typischen Materialien mit großer Bandlücke (~3,3–3,4 eV), ermöglicht Ga₂O₃ höhere Durchbruchfelder und mehr Leistung von Leistungsbauelementen, die für Hochspannungs-Schaltanwendungen wie Elektrofahrzeuge, Umrichter für erneuerbare Energien und industrielle Stromversorgungen notwendig sind.
Ein Maßstab in der Leistungselektronik ist der Baliga-Leistungsindex (BFOM), der das Durchbruchfeld mit der Ladungsträgerbeweglichkeit in Beziehung setzt und widerspiegelt, wie effektiv ein Halbleiter Leitungsverluste bei hohen Spannungen minimiert. Für β-Ga₂O₃ werden BFOM-Werte prognostiziert, die diejenigen von SiC und GaN deutlich übersteigen, was Ga₂O₃ zu einem Kandidaten für Hochspannungsbauelemente (>1 kV) macht. Allerdings weist Ga₂O₃ auch eine geringere Wärmeleitfähigkeit als SiC und GaN auf, was Herausforderungen für das Wärmemanagement mit sich bringt – ein Schwerpunkt der laufenden Forschung.
Skalierbares Substratwachstum verspricht niedrigere Kosten
Ein Vorteil von Ga₂O₃ liegt in der Skalierbarkeit des Substratwachstums. Im Gegensatz zu SiC oder GaN können β-Ga₂O₃-Einkristalle durch relativ kostengünstige Schmelzwachstumsverfahren hergestellt werden, die mit großen Waferabmessungen kompatibel sind, was somit niedrigere Substratkosten und einfachere Herstellungswege verspricht.
Um diese Materialvorteile zu nutzen, entwickeln Forscher Dünnschicht-Ga₂O₃-Wachstumsverfahren, die auf die Bauelementfertigung zugeschnitten sind. Während Gasphasenepitaxieverfahren wie die metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) und die Hydrid-Gasphasenepitaxie (HVPE) das Wachstum von Kristallen hoher Qualität dominieren, gewinnen physikalische Gasphasenabscheidungsverfahren (PVD) wie Sputtern und gepulste Laserdeposition (PLD) aufgrund ihrer Flexibilität, der geringeren Anlagenkosten und der Kompatibilität mit großflächigen Substraten an Bedeutung.
PVD-Verfahren ermöglichen genaue Steuerung der Schicht
Bei PVD-Verfahren wird ein festes Ausgangsmaterial (wie ein Ga₂O₃-Target) im Vakuum verdampft und auf einem Substrat abgeschieden. Bei Oxidmaterialien ist die gepulste Laserdeposition (PLD) eine gängige Variante, bei der ein Hochenergielaser Material von einem Target abträgt und eine Plume erzeugt, die sich als dünner Film auf einem erhitzten Substrat absetzt. Ähnlich nutzt das Magnetron-Sputtern – ein weiterer PVD-Ansatz – ionisiertes Gas, um Atome von einem Target in Richtung eines Substrats zu schleudern. Diese Methoden ermöglichen eine präzise Steuerung von Schichtdicke, Zusammensetzung und Mikrostruktur, was für die Optimierung der elektronischen Eigenschaften unerlässlich ist.
Studien haben gezeigt, dass durch die Anpassung der PVD-Parameter und das Tempern nach der Abscheidung Ga₂O₃-Schichten mit verbesserter Kristallinität und angepassten Defektdichten erzielt werden können. Das im Vergleich zu einigen chemischen Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD) geringere thermische Budget der PVD ermöglicht zudem das Aufwachsen auf Substraten, die möglicherweise keine hohen Temperaturen vertragen, was die Integrationsmöglichkeiten für Ga₂O₃ in Bauelementstapeln aus mehreren Materialien erweitert.