Напівпровідники 4-го покоління Оксид галію/β-Ga2O3

Перше покоління напівпровідникових матеріалів в основному представлено кремнієм (Si) і германієм (Ge), які почали зростати в 1950-х роках. Германій був домінуючим у перші дні і в основному використовувався в транзисторах низької напруги, низької частоти, середньої потужності та фотодетекторах, але через низьку стійкість до високих температур і радіації його поступово замінили кремнієвими пристроями наприкінці 1960-х років. . Кремній все ще залишається основним напівпровідниковим матеріалом у галузі мікроелектроніки через його високу технологічну зрілість і економічні переваги.

Друге покоління напівпровідникових матеріалів в основному включає складні напівпровідники, такі як арсенід галію (GaAs) і фосфід індію (InP), які широко використовуються у високопродуктивних мікрохвильових печах, міліметрових хвилях, оптоелектроніці, супутниковому зв’язку та інших галузях. Однак, порівняно з кремнієм, його вартість, технологічна зрілість і властивості матеріалу обмежили розвиток і популяризацію напівпровідникових матеріалів другого покоління на ринках, чутливих до вартості.

До представників третього покоління напівпровідників в основному відносятьсянітрид галію (GaN)ікарбід кремнію (SiC), і всі були добре знайомі з цими двома матеріалами за останні два роки. Підкладки SiC були комерційно розроблені компанією Cree (пізніше перейменованою на Wolfspeed) у 1987 році, але лише після застосування Tesla в останні роки широкомасштабна комерціалізація пристроїв з карбіду кремнію була справді сприяна. Карбід кремнію увійшов у наше повсякденне життя – від автомобільних головних приводів до фотоелектричних накопичувачів енергії та побутової білої техніки. Застосування GaN також популярне в наших повсякденних мобільних телефонах і комп’ютерних зарядних пристроях. В даний час більшість GaN пристроїв мають менше 650 В і широко використовуються в споживчій сфері. Швидкість росту кристалів SiC дуже низька (0,1-0,3 мм на годину), і процес росту кристалів має високі технічні вимоги. За вартістю та ефективністю він далеко не зрівняється з продуктами на основі кремнію.

До напівпровідників четвертого покоління в основному відносятьсяоксид галію (Ga2O3), діамант (Diamond), інітрид алюмінію (AlN). Серед них складність приготування підкладки з оксиду галію нижча, ніж підкладка з алмазу та нітриду алюмінію, а прогрес його комерціалізації є найшвидшим і найбільш перспективним. Порівняно з кремнієм і матеріалами третього покоління, напівпровідникові матеріали четвертого покоління мають більшу ширину забороненої зони та напруженість поля пробою, і можуть забезпечити пристрої живлення з вищою витримуваною напругою.

Одна з переваг оксиду галію перед SiC полягає в тому, що його монокристал можна вирощувати рідкофазним методом, таким як метод Чохральського та метод керованої форми традиційного виробництва кремнієвих стрижнів. Обидва методи спочатку завантажують порошок оксиду галію високої чистоти в іридієвий тигель і нагрівають його, щоб розплавити порошок.

Метод Чохральського використовує затравковий кристал для контакту з поверхнею розплаву для початку росту кристала. У той же час затравковий кристал обертається, а стрижень затравкового кристала повільно піднімається, щоб отримати монокристалічний стрижень з однорідною кристалічною структурою.

Метод керованої форми вимагає встановлення напрямної форми (виготовленої з іридію або інших матеріалів, стійких до високих температур) над тиглем. Коли направляючу форму занурюють у розплав, розплав притягується до верхньої поверхні форми за допомогою ефекту шаблону та сифона. Під дією поверхневого натягу розплав утворює тонку плівку і дифундує в навколишнє середовище. Затравковий кристал розміщується вниз, щоб контактувати з плівкою розплаву, і температурний градієнт у верхній частині форми контролюється, щоб торець затравкового кристала кристалізував монокристал з такою ж структурою, як затравковий кристал. Потім затравковий кристал безперервно піднімається вгору за допомогою тягового механізму. Затравковий кристал завершує підготовку всього монокристала після звільнення плеча та зростання рівного діаметра. Форма та розмір верхньої частини форми визначають форму поперечного перерізу кристала, вирощеного методом керованої форми.