Полупроводники четвертого поколения Оксид галлия/β-Ga2O3

Полупроводниковые материалы первого поколения представлены в основном кремнием (Si) и германием (Ge), популярность которых начала расти в 1950-х годах. Вначале германий доминировал и в основном использовался в низковольтных, низкочастотных транзисторах и фотодетекторах средней мощности, но из-за его плохой устойчивости к высоким температурам и радиационной стойкости в конце 1960-х годов он постепенно был заменен кремниевыми устройствами. . Кремний по-прежнему остается основным полупроводниковым материалом в области микроэлектроники благодаря своей высокой технологической зрелости и ценовым преимуществам.

Второе поколение полупроводниковых материалов в основном включает в себя составные полупроводники, такие как арсенид галлия (GaAs) и фосфид индия (InP), которые широко используются в высокопроизводительных микроволнах, миллиметровых волнах, оптоэлектронике, спутниковой связи и других областях. Однако по сравнению с кремнием его стоимость, технологическая зрелость и свойства материала ограничивают разработку и популяризацию полупроводниковых материалов второго поколения на чувствительных к стоимости рынках.

К представителям третьего поколения полупроводников в основном относятсянитрид галлия (GaN)икарбид кремния (SiC), и все были хорошо знакомы с этими двумя материалами за последние два года. Подложки SiC были коммерциализированы компанией Cree (позже переименованной в Wolfspeed) в 1987 году, но только после применения Tesla в последние годы крупномасштабная коммерциализация устройств из карбида кремния получила настоящий импульс. Карбид кремния вошел в нашу повседневную жизнь – от главных приводов автомобилей до фотоэлектрических накопителей энергии и бытовой техники. Применение GaN также популярно в наших повседневных мобильных телефонах и компьютерных зарядных устройствах. В настоящее время большинство GaN-устройств имеют напряжение <650 В и широко используются в потребительской сфере. Скорость роста кристаллов SiC очень низкая (0,1-0,3 мм в час), а процесс роста кристаллов предъявляет высокие технические требования. По стоимости и эффективности он далеко не сравним с продуктами на основе кремния.

Полупроводники четвертого поколения в основном включают в себяоксид галлия (Ga2O3), алмаз (Алмаз) инитрид алюминия (AlN). Среди них сложность приготовления подложки оксида галлия ниже, чем у алмаза и нитрида алюминия, а ее коммерциализация является наиболее быстрой и перспективной. По сравнению с кремнием и материалами третьего поколения, полупроводниковые материалы четвертого поколения имеют более высокую ширину запрещенной зоны и напряженность поля пробоя и могут обеспечивать силовые устройства с более высоким выдерживаемым напряжением.

Одним из преимуществ оксида галлия перед SiC является то, что его монокристалл можно выращивать жидкофазным методом, таким как метод Чохральского и метод управляемой формы при традиционном производстве кремниевых стержней. В обоих методах порошок оксида галлия высокой чистоты сначала загружают в иридиевый тигель и нагревают его, чтобы расплавить порошок.

Метод Чохральского использует затравочный кристалл для контакта с поверхностью расплава, чтобы начать рост кристаллов. В то же время затравочный кристалл вращается, а стержень затравочного кристалла медленно поднимается, чтобы получить монокристаллический стержень с однородной кристаллической структурой.

Метод управляемой формы требует установки направляющей формы (из иридия или других жаропрочных материалов) над тиглем. Когда направляющая форма погружается в расплав, расплав притягивается к верхней поверхности формы за счет эффекта шаблона и сифона. Расплав под действием поверхностного натяжения образует тонкую пленку и диффундирует в окружающую среду. Затравочный кристалл помещается вниз так, чтобы он контактировал с пленкой расплава, а температурный градиент в верхней части формы контролируется так, чтобы на торцевой поверхности затравочного кристалла кристаллизовался монокристалл с той же структурой, что и затравочный кристалл. Затем затравочный кристалл непрерывно поднимается вверх с помощью тянущего механизма. Затравочный кристалл завершает подготовку всего монокристалла после освобождения плеч и роста равного диаметра. Форма и размер верхней части формы определяют форму поперечного сечения кристалла, выращенного методом управляемой формы.