Polovodiče 4. generace Oxid galia/β-Ga2O3

První generaci polovodičových materiálů představují především křemík (Si) a germanium (Ge), které začaly stoupat v 50. letech minulého století. Germanium bylo dominantní v počátcích a bylo používáno hlavně v nízkonapěťových, nízkofrekvenčních, středně výkonných tranzistorech a fotodetektorech, ale kvůli své nízké vysoké teplotní odolnosti a odolnosti vůči záření bylo koncem 60. let postupně nahrazeno silikonovými zařízeními. . Křemík je stále hlavním polovodičovým materiálem v oblasti mikroelektroniky díky své vysoké technologické vyspělosti a cenovým výhodám.

Druhá generace polovodičových materiálů zahrnuje především složené polovodiče, jako je arsenid galia (GaAs) a fosfid india (InP), které jsou široce používány ve vysoce výkonných mikrovlnách, milimetrových vlnách, optoelektronice, satelitní komunikaci a dalších oborech. Ve srovnání s křemíkem však jeho cena, technologická vyspělost a materiálové vlastnosti omezily vývoj a popularizaci polovodičových materiálů druhé generace na cenově citlivých trzích.

Mezi zástupce třetí generace polovodičů patří předevšímnitrid galia (GaN)akarbid křemíku (SiC)a všichni tyto dva materiály v posledních dvou letech velmi dobře znali. Substráty SiC byly komercializovány společností Cree (později přejmenovanou na Wolfspeed) v roce 1987, ale teprve aplikace Tesly v posledních letech skutečně podpořila komercializaci zařízení z karbidu křemíku ve velkém měřítku. Karbid křemíku vstoupil do našeho každodenního života, od hlavních pohonů v automobilech, přes skladování fotovoltaické energie až po spotřebitelské bílé spotřebiče. Aplikace GaN je také oblíbená v našich každodenních mobilních telefonech a nabíjecích zařízeních počítačů. V současné době je většina zařízení GaN <650V a jsou široce používána ve spotřebitelské oblasti. Rychlost růstu krystalů SiC je velmi pomalá (0,1-0,3 mm za hodinu) a proces růstu krystalů má vysoké technické požadavky. Z hlediska nákladů a efektivity není zdaleka srovnatelný s produkty na bázi křemíku.

Mezi polovodiče čtvrté generace patří předevšímoxid galia (Ga2O3), diamant (Diamant) anitrid hliníku (AlN). Mezi nimi je obtížnost přípravy substrátu z oxidu galia nižší než u diamantu a nitridu hliníku a jeho komercializační pokrok je nejrychlejší a nejslibnější. Ve srovnání s Si a materiály třetí generace mají polovodičové materiály čtvrté generace vyšší pásmovou mezeru a intenzitu průrazného pole a mohou poskytnout napájecím zařízením vyšší výdržné napětí.

Jednou z výhod oxidu galia oproti SiC je to, že jeho monokrystal lze pěstovat metodou v kapalné fázi, jako je Czochralski metoda a metoda řízené formy tradiční výroby křemíkových tyčí. Obě metody nejprve vloží vysoce čistý prášek oxidu galia do iridiového kelímku a zahřejí jej, aby se prášek roztavil.

Czochralského metoda využívá očkovací krystal ke kontaktu s povrchem taveniny, aby se zahájil růst krystalů. Současně se zárodečný krystal otáčí a tyč zárodečného krystalu se pomalu zvedá, aby se získala tyčinka jediného krystalu s rovnoměrnou krystalovou strukturou.

Metoda řízené formy vyžaduje, aby byla nad kelímek instalována vodicí forma (vyrobená z iridia nebo jiných materiálů odolných vysokým teplotám). Když je vodicí forma ponořena do taveniny, tavenina je přitahována k hornímu povrchu formy působením šablony a sifonu. Tavenina vytváří působením povrchového napětí tenký film a difunduje do okolí. Zárodečný krystal se umístí dolů, aby se dostal do kontaktu s filmem taveniny, a teplotní gradient v horní části formy je řízen tak, aby koncová strana zárodečného krystalu krystalizovala monokrystal se stejnou strukturou jako zárodečný krystal. Potom je zárodečný krystal plynule zvedán směrem nahoru tažným mechanismem. Zárodečný krystal dokončuje přípravu celého monokrystalu po uvolnění ramene a růstu stejného průměru. Tvar a velikost horní části formy určují tvar průřezu krystalu pěstovaného metodou řízené formy.