O óxido de gálio em fase β (β-Ga₂O₃) apresenta uma banda banda ultralarga de aproximadamente 4,9 eV, um campo elétrico de alta quebra e resistência à radiação excepcional. Essas propriedades permitem que mantenha excelente desempenho em ambientes de radiação adversa, demonstrando grande potencial de aplicação na indústria aeroespacial, nuclear e outras áreas. O Power Wafertech Group fornece substratos β-Ga₂O₃ com orientações de (100), (010), (001) e (201). As especificações detalhadas são as seguintes:

1. Especificações do Substrato de Óxido de Beta Gálio

2. Estabilidade de Fase e Estrutura Cristalina Ga₂O₃

O óxido de gálio possui cinco alotropos: α, β, γ, δ e ε, entre os quais β-Ga₂O₃ é o mais estável termodinamicamente. Quando aquecida a temperaturas suficientemente altas, todas as outras fases metastáveis se transformam na fase β, que é a fase exclusiva no ponto de fusão (~1800°C). As energias livres de formação de diferentes fases satisfazem: β

Fig. 1 — Diagrama de transição de fase Ga₂O₃.

β-Ga₂O₃ é a única fase Ga₂O₃ que pode ser produzida em massa de forma eficiente e a baixo custo por métodos de crescimento de fusão. Sua estrutura cristalina é monoclínica, grupo espacial C2/m, com constantes de rede: a = 12,23(2) Å, b = 3,04(1) Å, c = 5,80(1) Å, α = γ = 90°, β = 103,7(3)°. Cada célula unitária contém dois sítios Ga inequivalentes (GaI., GaII.) e três sítios O inequivalentes (OI., OII., OIII.). GaI. reside em um ambiente de coordenação tetraédrico ligeiramente distorcido, ligado a quatro átomos de oxigênio; GaII. está em um ambiente octaédrico altamente distorcido, ligado a seis átomos de oxigênio. OI. e OII. são ambos tricoordenados: ligações OI. com dois GaI. e um GaII., enquanto OII. ligações com três GaII.. OIII. é coordenada de quatro formas, vinculando-se com dois galos e dois gaélios... Essa estrutura de rede distorcida não apenas confere ao substrato β-Ga₂O₃ alta estabilidade termodinâmica e excelente resistência mecânica, mas também leva a uma anisotropia significativa na energia superficial, condutividade térmica e mobilidade de portadores entre diferentes planos cristalográficos.

3. Técnicas de Crescimento de Monocristais para Óxido de Gálio

Aproximadamente 50% do custo dos produtos semicondutores Ga₂O₃ vem da fabricação de substratos, e a chave para a fabricação de substratos está na escolha do método de crescimento monocristalino. Os principais métodos de crescimento existentes incluem crescimento alimentado por filme definido por borda (EFG), Czochralski (CZ), Bridgman vertical (VB), zona flutuante (FZ), Verneuil, fundição e crescimento de cristais de óxido a partir do cadinho frio (OCCC). Cada método tem suas vantagens e desvantagens, mas apenas o EFG foi industrializado. A Tabela 1 compara as características técnicas de vários dos principais métodos de crescimento.

Tabela 1. Comparação dos principais métodos de crescimento monocristalinal β-Ga₂O₃

4. Desafios de Processamento de Substratos β-Ga₂O₃

Substratos de alta precisão e baixo dano são a base de dispositivos de alto desempenho. β-Ga₂O₃ é um material típico de difícil de usinar devido à sua forte inércia química, dureza e fragilidade, anisotropia significativa e características pronunciadas de clivage. Os comportamentos mecânicos variam significativamente entre diferentes planos cristalinos: sob a mesma carga, a profundidade de dano no plano (001) é aproximadamente o dobro da do plano (100); As faixas de profundidade de corte por nanoindentação nos planos (010) e (100) são de 96,5–576,8 nm e 84,6–421,6 nm, respectivamente. Testes de compressão em micropilares também confirmam diferenças significativas no estresse e deformação da fratura entre os planos (200), (001) e (010).

Essas características levam a problemas como descamação frágil, propagação de trincas e baixas taxas de polimento durante o processamento. Estudos indicam que a direção 105° dentro do plano (010) de Ga₂O₃ é a mais usinável, oferecendo remoção de material mais estável e menos danos; portanto, o plano (010) é recomendado como superfície de processamento preferida. Desenvolver processos específicos para orientação e adaptar sistemas de polimento químico-mecânico (CMP) são fundamentais para alcançar a fabricação de pastilhas β-Ga₂O₃ de alta qualidade.

5. Aplicações de pastilhas Beta Ga₂O₃

Com base nas propriedades do material acima e nas capacidades de processamento de substratos, β-Ga₂O₃ demonstra vantagens únicas em várias áreas de dispositivos optoeletrônicos.

5.1 Detecção por Fotodetecção por Ultraluz Profunda

O comprimento de onda de corte de β-Ga₂O₃ está na região do ultravioleta profundo (DUV) de 250–280 nm, com praticamente nenhuma resposta à luz visível e infravermelha, permitindo assim a detecção altamente seletiva e de baixo ruído de fundo por DUV.

5.2 Detecção de Radiação Nuclear

β-Ga₂O₃ possui alta densidade de 6,44 g·cm⁻³ e excelentes propriedades de cintilação, permitindo a detecção eficiente de partículas de α, β, γ e radiação de nêutrons. Ela mantém uma operação estável a longo prazo em ambientes de alta dose de radiação e apresenta forte resistência a danos por radiação.

5.3 Aplicações Adicionais

Além disso, o β-Ga₂O₃ possui resistência mecânica excepcional e resistência à corrosão química, tornando-se promissor para dispositivos fotônicos de alta temperatura, resistentes à corrosão e eletrônicos para ambientes extremos.