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      氧化鎵——半導體天空中的新恒星?

      2020-12-10 10:26:54

      說到晶體,我們談論的是用于電子/光子技術平臺研究、開發和服務的真正大體積晶體,萊布尼茲研究所F_r Kristallz_chtung(ikz)是第yi個??扛?。在這里,從一個非常熱的熔融體,他們生長同位素純硅晶體到2升瓶大小,用于特殊用途(例如新標準千克),并開發出精煉和新的方法,以單晶體形式生產錫、鋅和銦等金屬的導電氧化物。

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

      氧化鎵——半導體天空中的新恒星?

      “到目前為止,SiC是唯yi一種不易產生明顯缺陷的基體,但外延生長速度相對較慢。對于氮化鎵來說,仍然沒有有效的方法來生產大體積的合適的單晶。因此,它被沉積到像藍寶石或硅這樣的外來基板上,但它們的不同晶格常數導致了外延過程中的錯位。這對組件的功能不利,”ikz模擬與特征化部門負責人MartinAlbrecht博士解釋說。

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

      然而,走這么遠是一段漫長的旅程。盡管在上世紀60年代對氧化鎵進行了實驗,但這種化合物的真正發展始于近幾年。2009年,ikz開始生長和開發這種材料的大塊單晶體,這對研究人員來說需要很多技巧。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出單晶,我們需要在生長氣氛中有很高的氧氣壓力,”IKZ晶體生長專家Zbigniew Galazka博士解釋說。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強烈氧化?!暗珜τ诿恳粋€問題,都有一個解決辦法,”加拉茲卡帶著勝利的光芒說。他們通過仔細研究氧化鎵、氧和銥的“可怕的三重態”的熱力學發現了這個溶液。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,后者是氣態的并蒸發。因此,研究人員想出了一個技巧,這是他們在國際上獲得專利的,那就是在開始加熱的過程中,只向生長爐中引入少量的氧氣,稱為直拉法,只有當溫度上升到1200-1400°C以上時,他們才會增加氧氣量并抽空。氣態三氧化銥遠離生長晶體。這使我們能夠生長大直徑2英寸的Ga2O3單晶,并具有進一步的放大能力。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,并將其發送給加利福尼亞州圣巴巴拉大學的同事,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,并產生同外延結構?!叭缓?,隨著該研究所其他項目在2012年結束,我們的負責人說:我們可以培育出*秀的晶體。我們有外延的經驗。那么,為什么美國的同事們要玩得盡興呢?“G_nter Wagner博士是半導體氧化物層工作組的負責人。然后,從萊布尼茲協會(從那時起從聯邦教育和研究部)獲得資金,并獲得氣相外延設備。從那時起,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。

      于是開始了精細的工作,一些人在黑暗中掙扎,因為沒有人真正知道這種新材料有什么性質。帶隙是直接的還是間接的?可能出現什么缺陷?那半導體的光學特性是什么呢?要回答這樣的基本問題,我們需要以良好的、可重復的質量獲得材料。MartinAlbrecht的小組在電子顯微鏡下仔細觀察了單晶體中的原子排列。當其他金屬氧化物以立方或金剛石結構結晶時,氧化鎵形成單斜晶體。這意味著晶格常數a、b和c略有不同(見圖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。一旦確定了這一點,就必須按照適當的方向切割和拋光單晶,然后將它們發送給柏林公司Crystec。

      然而,即使拋光到完美,沒有晶圓是原子級的光滑;*細微的階梯結構將永遠保持。Albrecht的研究為外延專家提供了如何以可控方式在其上生長超薄氧化層的關鍵指針?!霸拥牟骄?、生長溫度和擴散長度都是決定性的參數,”Albrecht解釋說。這個過程是熱控制的。只有當所有的東西都被完美地調諧時,原子才能克服障礙,在正確的位置上被捕獲并以化學方式結合。你可以把它想象成雞蛋盒里的小圓球?!?/span>

      當研究一種新材料時,有兩個不同的階段,G護nter Wagner說。一開始,生產成本有多高或生產過程有多慢并不重要?!拔覀儸F在正通過這一階段,我們知道我們可以生產出高質量、高再現性的優質半導體?!钡诙A段的目標是引起工業界對這種材料的興趣。瓦格納補充說:“因此,我們現在正在研究如何以同樣的質量、更快、更便宜和更大規模生產氧化鎵的參數?!辟M迪南德布勞恩研究所(FBH)已經在“削減”組件,下一步將在柏林理工大學電力電子實驗室進行測試。順便說一下,該項目是萊布尼茲協會自2016年以來資助的高性能半導體研究科學院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。

      新的半導體將允許極快速,低損耗的電路被建立?!霸趪H上,特別是在日本和美國,對這種材料及其潛在應用的興趣在過去三年中增長非???。它也由國家一級的方案資助。至于應用,我們的重點是風力發電機、有軌電車、快速列車和電動汽車的電力管理,”瓦格納說。在與大學、研究機構和工業合作伙伴的密切合作下,ikz希望在未來建立高性能器件的Ga2O3材料基礎,超越當今的材料平臺Si、SiC和GaN,在電力電子的重要應用領域。

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      氧化鎵氧化銦


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