Semiconductori de generația a 4-a Oxid de galiu/β-Ga2O3

Prima generație de materiale semiconductoare este reprezentată în principal de siliciu (Si) și germaniu (Ge), care au început să crească în anii 1950. Germaniul a fost dominant în primele zile și a fost folosit în principal în tranzistoare și fotodetectoare de joasă tensiune, frecvență joasă, putere medie, dar datorită rezistenței sale slabe la temperaturi ridicate și rezistenței la radiații, a fost înlocuit treptat de dispozitive cu siliciu la sfârșitul anilor 1960. . Siliciul este încă principalul material semiconductor în domeniul microelectronică datorită maturității sale tehnologice ridicate și avantajelor de cost.

A doua generație de materiale semiconductoare include în principal semiconductori compuși, cum ar fi arseniura de galiu (GaAs) și fosfura de indiu (InP), care sunt utilizate pe scară largă în microunde de înaltă performanță, unde milimetrice, optoelectronică, comunicații prin satelit și alte domenii. Cu toate acestea, în comparație cu siliciul, costul său, maturitatea tehnologică și proprietățile materialului au limitat dezvoltarea și popularizarea materialelor semiconductoare de a doua generație pe piețele sensibile la costuri.

Reprezentanții celei de-a treia generații de semiconductori includ în principalnitrură de galiu (GaN)şicarbură de siliciu (SiC), și toată lumea a fost foarte familiarizată cu aceste două materiale în ultimii doi ani. Substraturile SiC au fost comercializate de Cree (mai târziu redenumit Wolfspeed) în 1987, dar abia după aplicarea Tesla din ultimii ani a fost promovată cu adevărat comercializarea pe scară largă a dispozitivelor cu carbură de siliciu. De la dispozitivele principale ale autovehiculelor la stocarea energiei fotovoltaice la aparatele albe de consum, carbura de siliciu a intrat în viața noastră de zi cu zi. Aplicația GaN este populară și în telefoanele noastre mobile zilnice și dispozitivele de încărcare a computerelor. În prezent, majoritatea dispozitivelor GaN sunt <650V și sunt utilizate pe scară largă în domeniul consumatorilor. Viteza de creștere a cristalelor de SiC este foarte lentă (0,1-0,3 mm pe oră), iar procesul de creștere a cristalului are cerințe tehnice ridicate. În ceea ce privește costul și eficiența, este departe de a fi comparabil cu produsele pe bază de siliciu.

Semiconductorii de a patra generație includ în principaloxid de galiu (Ga2O3), diamant (Diamond) șinitrură de aluminiu (AlN). Dintre acestea, dificultatea pregătirii substratului de oxid de galiu este mai mică decât cea a diamantului și a nitrurii de aluminiu, iar progresul comercializării acestuia este cel mai rapid și mai promițător. În comparație cu materialele Si și din a treia generație, materialele semiconductoare din a patra generație au benzi interzise și intensități de câmp de defalcare mai mari și pot furniza dispozitive de putere cu o tensiune de rezistență mai mare.

Unul dintre avantajele oxidului de galiu față de SiC este că un singur cristal poate fi crescut prin metoda fază lichidă, cum ar fi metoda Czochralski și metoda matriței ghidate de producție tradițională de tije de siliciu. Ambele metode încarcă mai întâi pulbere de oxid de galiu de înaltă puritate într-un creuzet de iridiu și o încălzește pentru a topi pulberea.

Metoda Czochralski folosește cristalul sămânță pentru a intra în contact cu suprafața topiturii pentru a începe creșterea cristalului. În același timp, cristalul de sămânță este rotit și tija de cristal de sămânță este ridicată încet pentru a obține o tijă de cristal unică cu structură cristalină uniformă.

Metoda matriței ghidate necesită instalarea unei matrițe de ghidare (din iridiu sau din alte materiale rezistente la temperaturi ridicate) deasupra creuzetului. Când matrița de ghidare este scufundată în topitură, topitura este atrasă de suprafața superioară a matriței de șablon și efect de sifon. Topitura formează o peliculă subțire sub acțiunea tensiunii superficiale și difuzează în împrejurimi. Cristalul de sămânță este plasat în jos pentru a intra în contact cu filmul de topire, iar gradientul de temperatură din partea de sus a matriței este controlat pentru a face ca partea de capăt a cristalului de sămânță să cristalizeze un singur cristal cu aceeași structură ca și cristalul de sămânță. Apoi, cristalul de sămânță este ridicat continuu în sus de către mecanismul de tragere. Cristalul sămânță completează pregătirea întregului singur cristal după eliberarea umărului și creșterea cu diametru egal. Forma și dimensiunea vârfului matriței determină forma secțiunii transversale a cristalului crescut prin metoda matriței ghidate.