Półprzewodniki czwartej generacji tlenek galu/β-Ga2O3

Pierwszą generację materiałów półprzewodnikowych reprezentują głównie krzem (Si) i german (Ge), których popularność zaczęła się zwiększać w latach pięćdziesiątych XX wieku. Na początku dominował german i był stosowany głównie w tranzystorach i fotodetektorach niskiego napięcia, niskiej częstotliwości, średniej mocy, ale ze względu na słabą odporność na wysokie temperatury i promieniowanie pod koniec lat sześćdziesiątych XX wieku został stopniowo zastąpiony urządzeniami krzemowymi . Krzem jest nadal głównym materiałem półprzewodnikowym w dziedzinie mikroelektroniki ze względu na jego wysoką dojrzałość technologiczną i przewagę kosztową.

Druga generacja materiałów półprzewodnikowych obejmuje głównie półprzewodniki złożone, takie jak arsenek galu (GaAs) i fosforek indu (InP), które są szeroko stosowane w wysokowydajnych mikrofalach, falach milimetrowych, optoelektronice, komunikacji satelitarnej i innych dziedzinach. Jednak w porównaniu z krzemem jego koszt, dojrzałość technologiczna i właściwości materiału ograniczają rozwój i popularyzację materiałów półprzewodnikowych drugiej generacji na rynkach wrażliwych na koszty.

Przedstawiciele trzeciej generacji półprzewodników to głównie m.inazotek galu (GaN)Iwęglik krzemu (SiC)i przez ostatnie dwa lata wszyscy byli bardzo dobrze zaznajomieni z tymi dwoma materiałami. Podłoża SiC zostały skomercjalizowane przez firmę Cree (później przemianowaną na Wolfspeed) w 1987 r., ale dopiero zastosowanie Tesli w ostatnich latach naprawdę promowało komercjalizację na dużą skalę urządzeń z węglika krzemu. Od głównych napędów samochodowych, poprzez magazynowanie energii fotowoltaicznej, po biały sprzęt AGD – węglik krzemu wkroczył w nasze codzienne życie. Zastosowanie GaN jest również popularne w naszych codziennych telefonach komórkowych i urządzeniach do ładowania komputerów. Obecnie większość urządzeń GaN ma napięcie <650 V i jest szeroko stosowana w sektorze konsumenckim. Szybkość wzrostu kryształów SiC jest bardzo mała (0,1-0,3 mm na godzinę), a proces wzrostu kryształów ma wysokie wymagania techniczne. Pod względem kosztów i wydajności nie jest porównywalny z produktami na bazie krzemu.

Półprzewodniki czwartej generacji obejmują głównietlenek galu (Ga2O3), diament (diament) iazotek glinu (AlN). Wśród nich trudność przygotowania podłoża z tlenku galu jest mniejsza niż w przypadku diamentu i azotku glinu, a postęp jego komercjalizacji jest najszybszy i najbardziej obiecujący. W porównaniu z Si i materiałami trzeciej generacji, materiały półprzewodnikowe czwartej generacji mają wyższe przerwy wzbronione i natężenie pola przebicia, a także mogą zapewnić urządzeniom zasilającym wyższe napięcie wytrzymywane.

Jedną z zalet tlenku galu w porównaniu z SiC jest to, że jego monokryształ można hodować metodą fazy ciekłej, taką jak metoda Czochralskiego i metoda sterowanej formy w tradycyjnej produkcji prętów krzemowych. Obie metody najpierw ładują proszek tlenku galu o wysokiej czystości do tygla irydowego i podgrzewają go w celu stopienia proszku.

Metoda Czochralskiego wykorzystuje kryształ zaszczepiający do kontaktu z powierzchnią stopu w celu rozpoczęcia wzrostu kryształów. Jednocześnie kryształ zaszczepiający jest obracany, a pręt kryształu zaszczepiającego jest powoli podnoszony, aby otrzymać pręt pojedynczego kryształu o jednolitej strukturze kryształu.

Metoda formy prowadzonej wymaga zainstalowania formy prowadzącej (wykonanej z irydu lub innego materiału odpornego na wysoką temperaturę) nad tyglem. Kiedy forma prowadząca jest zanurzona w stopionym materiale, stop jest przyciągany do górnej powierzchni formy poprzez szablon i efekt syfonu. Stop tworzy cienką warstwę pod wpływem napięcia powierzchniowego i dyfunduje do otoczenia. Kryształ zaszczepiający umieszcza się tak, aby zetknął się ze stopioną warstwą, a gradient temperatury na górze formy reguluje się tak, aby powierzchnia końcowa kryształu zaszczepiającego wykrystalizowała pojedynczy kryształ o tej samej strukturze co kryształ zaszczepiający. Następnie kryształ zaszczepiający jest w sposób ciągły podnoszony do góry za pomocą mechanizmu ciągnącego. Kryształ zaszczepiający kończy przygotowanie całego monokryształu po uwolnieniu ramion i wzroście o równej średnicy. Kształt i wielkość wierzchołka formy określa kształt przekroju poprzecznego kryształu wyhodowanego metodą formy prowadzonej.