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News | 01-06-2020

Gallium-basierte Spinell-Einkristalle

Seit längerer Zeit beschäftigen wir uns mit der Suche nach neuen transparenten halbleitenden Oxiden (sogenannten TSOs, d.h. Oxide mit Transparenz im UV/sichtbaren Spektrum und halbleitendem Verhalten).

Eine neue Klasse von TSO-Materialien: (von links nach rechts) MgGa₂O₄, ZnGa₂O₄ und CoGa₂O₄.

Diese TSOs können in der Hochleistungselektronik (Schottky-Barrieredioden, Feldeffekttransistoren), der Optoelektronik (Fotodetektoren, Flammendetektoren) und der Sensorik (Gassensoren, halbleitende Szintillatoren) zum Einsatz kommen.

Neben der Entwicklung von binären (ß-Ga2O3, SnO2, In2O3), ternären (BaSnO3) und quaternären (InGaZnO4) TSO-Einkristallen konzentriert sich unsere Arbeit auch auf Ga-basierte Spinelle: MgGa2O4, ZnGa2O4, (Mg,Zn)Ga2O4 und CoGa2O4. Sie definieren eine neue Klasse von TSO-Materialien mit einer kubischen Struktur, die für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet ist. (Eine Zusammenfassung der grundlegenden physikalischen Eigenschaften von Ga-basierten Spinell-Einkristallen ist in der untenstehenden Tabelle dargestellt.)

Die hier dargestellten Verbindungen besitzen jeweils hohe Schmelzpunkte und unterliegen einer starken Zersetzung mit inkongruenter Verdampfung, was die Züchtung von Einkristallen erschwert. Für das Kristallwachstum aus der Schmelze verwenden wir Iridiumtiegel sowie innovative Methoden und Anlageneinbauten, um die Thermodynamik bis zu einem gewissen Grad zu kontrollieren und das Wachstum zu stabilisieren. Entsprechend der thermischen Instabilität der gesuchten Verbindung erfolgt die Züchtung mit der Czochralski-, Kyropoulos- oder VGF/Bridgman-Methode. Die gezüchteten Einkristalle besitzen mehrere cm3 Volumen, wie in der Abbildung gezeigt, und ermöglichen die Herstellung von Wafern mit einer Größe von bis zu 10x10 mm2.

Die Verfügbarkeit von Ga-basierten Spinell-Einkristallen ist für die Grundlagenforschung zur Erforschung der Materialeigenschaften wichtig, ermöglicht aber auch neue Konzepte für Bauelementdesigns und deren Anwendungen. Kubische ZnGa2O4-Kristalle zeigen eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit (eine Größenordnung höher als ß-Ga2O3-Kristalle) und eine hohe Hall-Mobilität bei einer sehr hohen Konzentration freier Elektronen (doppelt so hoch wie bei ß-Ga2O3).

Das macht das Material sehr interessant für vertikale Leistungsbauelemente. Die Forschung in dieser Richtung umfasst deshalb auch die Homoepitaxie und die Bauelementherstellung. Die Gitterparameter der Ga-basierten Spinelle passen auch gut für Fe-basierte magnetische Dünnschichten mit Spinellstruktur. Auf Substraten aus Ga-basierten Spinellen wurden NiFe2O4-Filme ohne Antiphasengrenzen und mit verbesserten magnetischen Eigenschaften gewachsen. Darüber hinaus bietet die spinabhängige Bandlücke von CoGa2O4 Möglichkeiten für spintronische Anwendungen.

Weitere Informationen:
Zbigniew Galazka
Sektion Oxide & Fluoride