Polprevodniki 4. generacije Galijev oksid/β-Ga2O3

Prvo generacijo polprevodniških materialov predstavljata predvsem silicij (Si) in germanij (Ge), ki sta se začela vzpenjati v petdesetih letih prejšnjega stoletja. Germanij je bil v zgodnjih dneh prevladujoč in so ga večinoma uporabljali v nizkonapetostnih, nizkofrekvenčnih, srednje močnih tranzistorjih in fotodetektorjih, vendar so ga zaradi njegove slabe visoke temperaturne odpornosti in odpornosti proti sevanju v poznih šestdesetih letih prejšnjega stoletja postopoma nadomestile silicijeve naprave. . Silicij je še vedno glavni polprevodniški material na področju mikroelektronike zaradi visoke tehnološke zrelosti in stroškovnih prednosti.

Druga generacija polprevodniških materialov vključuje predvsem sestavljene polprevodnike, kot sta galijev arzenid (GaAs) in indijev fosfid (InP), ki se pogosto uporabljajo v visokozmogljivih mikrovalovih, milimetrskih valovih, optoelektroniki, satelitskih komunikacijah in drugih področjih. Vendar so v primerjavi s silicijem njegovi stroški, tehnološka zrelost in lastnosti materiala omejili razvoj in popularizacijo polprevodniških materialov druge generacije na stroškovno občutljivih trgih.

Predstavniki tretje generacije polprevodnikov vključujejo predvsemgalijev nitrid (GaN)insilicijev karbid (SiC), in vsi so bili v zadnjih dveh letih dobro seznanjeni s tema materialoma. Podlage SiC je leta 1987 komercializiral Cree (kasneje preimenovan v Wolfspeed), vendar je bila obsežna komercializacija naprav iz silicijevega karbida resnično pospešena šele s Teslino uporabo v zadnjih letih. Silicijev karbid je vstopil v naše vsakdanje življenje, od avtomobilskih glavnih pogonov do fotovoltaičnih hranilnikov energije do potrošniških belih aparatov. Uporaba GaN je priljubljena tudi v naših dnevnih mobilnih telefonih in računalniških polnilnih napravah. Trenutno je večina GaN naprav <650 V in se pogosto uporabljajo v potrošniški industriji. Hitrost rasti kristalov SiC je zelo počasna (0,1-0,3 mm na uro), postopek rasti kristalov pa ima visoke tehnične zahteve. Po ceni in učinkovitosti še zdaleč ni primerljiv z izdelki na osnovi silicija.

Polprevodniki četrte generacije vključujejo predvsemgalijev oksid (Ga2O3), diamant (Diamond) inaluminijev nitrid (AlN). Med njimi je težava priprave substrata galijevega oksida nižja kot pri diamantu in aluminijevem nitridu, njegov napredek pri komercializaciji pa je najhitrejši in najbolj obetaven. V primerjavi s Si in materiali tretje generacije imajo polprevodniški materiali četrte generacije večje pasovne vrzeli in jakosti razgradnega polja ter lahko napajalnim napravam zagotovijo višjo vzdržljivo napetost.

Ena od prednosti galijevega oksida pred SiC je, da je njegov monokristal mogoče gojiti z metodo tekoče faze, kot sta metoda Czochralski in metoda vodenega kalupa tradicionalne proizvodnje silicijeve palice. Obe metodi najprej naložita prah galijevega oksida visoke čistosti v iridijev lonček in ga segrevata, da se prah stopi.

Metoda Czochralski uporablja zarodni kristal v stiku s površino taline, da začne rast kristala. Istočasno se zarodni kristal zavrti in zarodna kristalna palica se počasi dvigne, da dobimo enojno kristalno palico z enotno kristalno strukturo.

Metoda vodenega kalupa zahteva, da je nad lonček nameščen vodilni kalup (iz iridija ali drugih materialov, odpornih na visoke temperature). Ko je vodilni kalup potopljen v talino, talino pritegne zgornja površina kalupa s pomočjo šablone in učinka sifona. Talina pod vplivom površinske napetosti tvori tanek film in difundira v okolico. Zarodni kristal se postavi navzdol, da pride v stik s filmom taline, temperaturni gradient na vrhu kalupa pa se nadzoruje, da na končni strani zarodnega kristala kristalizira en sam kristal z enako strukturo kot zarodni kristal. Nato se semenski kristal nenehno dviguje navzgor z vlečnim mehanizmom. Zarodni kristal zaključi pripravo celotnega posameznega kristala po sprostitvi ramen in rasti enakega premera. Oblika in velikost vrha kalupa določata obliko prečnega prereza kristala, vzgojenega z metodo vodenega kalupa.