L’oxyde de gallium en phase β (β-Ga₂O₃) présente une bande interdite ultra-large d’environ 4,9 eV, un champ électrique de rupture élevé et une résistance aux radiations exceptionnelle. Ces propriétés lui permettent de maintenir d’excellentes performances dans des environnements radieux difficiles, démontrant un grand potentiel d’application dans l’aérospatiale, l’industrie nucléaire et d’autres domaines. Power Wafertech Group fournit des substrats β-Ga₂O₃ avec des orientations de (100), (010), (001) et (201). Les spécifications détaillées sont les suivantes :

1. Spécifications du substrat en oxyde de bêta-gallium

2. Stabilité de phase Ga₂O₃ et structure cristalline

L’oxyde de gallium possède cinq allotropes : α, β, γ, δ et ε, parmi lesquels β-Ga₂O₃ est le plus stable thermodynamiquement. Lorsqu’elles sont chauffées à des températures suffisamment élevées, toutes les autres phases métastables se transforment en phase β, qui est la phase exclusive au point de fusion (~1800°C). Les énergies libres de formation des différentes phases satisfont : β

Fig. 1 — diagramme de transition de phase Ga₂O₃.

β-Ga₂O₃ est la seule phase Ga₂O₃ pouvant être produite en masse efficacement et à faible coût via des méthodes de croissance par fond. Sa structure cristalline est monoclinique, groupe spatial C2/m, avec des constantes de réseau : a = 12,23(2) Å, b = 3,04(1) Å, c = 5,80(1) Å, α = γ = 90°, β = 103,7(3)°. Chaque cellule unitaire contient deux sites Ga inéquivalents (GaI., GaII.) et trois sites O inéquivalents (OI., OII., OIII.). GaI. réside dans un environnement de coordination tétraédrique légèrement déformé, lié à quatre atomes d’oxygène ; GaII. se trouve dans un environnement octaédral fortement déformé, lié à six atomes d’oxygène. OI. et OII. sont toutes deux à trois coordonnées : des liaisons OI. avec deux GaI. et un GaII., tandis que OII. liaisons avec trois GaII... OIII. est à quatre coordonnées, se liant avec deux GaI. et deux GaII... Cette structure de réseau déformée confère non seulement au substrat β-Ga₂O₃ une grande stabilité thermodynamique et une excellente résistance mécanique, mais conduit également à une anisotropie significative de l’énergie de surface, de la conductivité thermique et de la mobilité des porteurs à travers différents plans cristallographiques.

3. Techniques de croissance monocristalline pour l’oxyde de gallium

Environ 50 % du coût des produits semi-conducteurs Ga₂O₃ provient de la fabrication de substrats, et la clé de la fabrication réside dans le choix de la méthode de croissance monocristalline. Les principales méthodes de croissance existantes incluent la croissance à base de feuilles (EFG), la Czochralski (CZ), la Bridgman verticale (VB), la zone flottante (FZ), la Verneuil, la coulée et la croissance de cristaux d’oxyde à partir du creuset froid (OCCC). Chaque méthode présente ses avantages et ses inconvénients, mais seule l’EFG a été industrialisée. Le tableau 1 compare les caractéristiques techniques de plusieurs grandes méthodes de croissance.

Tableau 1. Comparaison des principales méthodes de croissance monocristalline β-Ga₂O₃

4. Défis du traitement du substrat β-Ga₂O₃

Les substrats de haute précision et peu de dommages constituent la base des dispositifs haute performance. β-Ga₂O₃ est un matériau typiquement difficile à usiner en raison de sa forte inertité chimique, sa dureté et sa fragilité, son anisotropie significative et ses caractéristiques de clivage marquées. Les comportements mécaniques varient considérablement selon les plans cristallins : sous la même charge, la profondeur de dégât sur le plan (001) est environ deux fois supérieure à celle du plan (100) ; Les plages de profondeur de coupe par nanoindentation sur les plans (010) et (100) sont respectivement de 96,5 à 576,8 nm et 84,6 à 421,6 nm. Les essais de compression sur micro-piliers confirment également des différences significatives de contrainte et de déformation de fracture entre les plans (200), (001) et (010).

Ces caractéristiques entraînent des problèmes tels que la décaillement cassant, la propagation des fissures et de faibles taux de polissage lors du traitement. Les études indiquent que la direction 105° dans le plan (010) de Ga₂O₃ est la plus mécanique, offrant un retrait de matériau plus stable et moins de dommages ; par conséquent, le plan (010) est recommandé comme surface de traitement préférée. Le développement de procédés spécifiques à l’orientation et l’adaptation des systèmes de polissage chimico-mécanique (CMP) sont essentiels pour obtenir une fabrication de wafers β-Ga₂O₃ de haute qualité.

5. Applications de plaquettes Beta Ga₂O₃

Sur la base des propriétés des matériaux et des capacités de traitement des substrats ci-dessus, β-Ga₂O₃ présente des avantages uniques dans plusieurs domaines de dispositifs optoélectroniques.

5.1 Photodétection UV profonde

La longueur d’onde de coupure de β-Ga₂O₃ se situe dans la région ultraviolette profonde (DUV) de 250–280 nm, avec pratiquement aucune réponse à la lumière visible et infrarouge, permettant ainsi une détection très sélective et faible bruit de fond des DUV.

5.2 Détection des radiations nucléaires

β-Ga₂O₃ possède une densité élevée de 6,44 g·cm⁻³ et d’excellentes propriétés de scintillation, permettant une détection efficace des particules de α, β, γ et des rayonnements neutroniques. Il maintient un fonctionnement stable à long terme dans des environnements à forte dose de radiation et présente une forte résistance aux dommages par radiation.

5.3 Applications supplémentaires

De plus, β-Ga₂O₃ possède une résistance mécanique exceptionnelle et une résistance à la corrosion chimique, ce qui le rend prometteur pour les dispositifs photoniques à détection haute température, résistants à la corrosion et électroniques en environnements extrêmes.