Polovodiče 4. generácie Oxid gália/β-Ga2O3

Prvú generáciu polovodičových materiálov predstavuje najmä kremík (Si) a germánium (Ge), ktoré začali stúpať v 50. rokoch minulého storočia. Germánium bolo v počiatkoch dominantné a používalo sa hlavne v nízkonapäťových, nízkofrekvenčných, stredne výkonných tranzistoroch a fotodetektoroch, no kvôli nízkej odolnosti voči vysokým teplotám a odolnosti voči žiareniu bolo koncom 60. rokov postupne nahradené silikónovými zariadeniami. . Kremík je stále hlavným polovodičovým materiálom v oblasti mikroelektroniky vďaka vysokej technologickej vyspelosti a cenovým výhodám.

Druhá generácia polovodičových materiálov zahŕňa najmä zložené polovodiče, ako je arzenid gália (GaAs) a fosfid india (InP), ktoré sú široko používané vo vysokovýkonných mikrovlnách, milimetrových vlnách, optoelektronike, satelitnej komunikácii a iných oblastiach. V porovnaní s kremíkom však jeho cena, technologická vyspelosť a materiálové vlastnosti obmedzili vývoj a popularizáciu polovodičových materiálov druhej generácie na trhoch citlivých na náklady.

Medzi zástupcov tretej generácie polovodičov patrí predovšetkýmnitrid gália (GaN)akarbid kremíka (SiC)a za posledné dva roky tieto dva materiály všetci veľmi dobre poznali. Substráty SiC komercializovala spoločnosť Cree (neskôr premenovaná na Wolfspeed) v roku 1987, ale až aplikácia Tesly v posledných rokoch skutočne podporila rozsiahlu komercializáciu zariadení z karbidu kremíka. Karbid kremíka vstúpil do nášho každodenného života, od hlavných pohonov v automobiloch cez skladovanie fotovoltaickej energie až po spotrebné biele spotrebiče. Aplikácia GaN je populárna aj v našich každodenných mobilných telefónoch a zariadeniach na nabíjanie počítačov. V súčasnosti je väčšina zariadení GaN < 650 V a sú široko používané v spotrebiteľskej oblasti. Rýchlosť rastu kryštálov SiC je veľmi pomalá (0,1-0,3 mm za hodinu) a proces rastu kryštálov má vysoké technické požiadavky. Pokiaľ ide o náklady a efektivitu, ani zďaleka nie je porovnateľný s výrobkami na báze kremíka.

Medzi polovodiče štvrtej generácie patria hlavneoxid gália (Ga2O3), diamant (Diamant) anitrid hliníka (AlN). Medzi nimi je obtiažnosť prípravy substrátu oxidu gália nižšia ako obtiažnosť diamantu a nitridu hliníka a pokrok v jeho komercializácii je najrýchlejší a najsľubnejší. V porovnaní s materiálmi Si a tretej generácie majú polovodičové materiály štvrtej generácie vyššie medzery v pásme a intenzitu prierazného poľa a môžu poskytnúť napájacie zariadenia s vyšším výdržným napätím.

Jednou z výhod oxidu gália oproti SiC je, že jeho monokryštál môže byť pestovaný metódou v kvapalnej fáze, ako je Czochralski metóda a metóda riadenej formy tradičnej výroby kremíkových tyčí. Obidva spôsoby najskôr vložia vysoko čistý prášok oxidu gália do irídiového téglika a zahrejú ho, aby sa prášok roztavil.

Czochralského metóda využíva očkovací kryštál na kontakt s povrchom taveniny, aby sa začal rast kryštálov. Súčasne sa zárodočný kryštál otáča a tyčinka zárodočného kryštálu sa pomaly zdvihne, aby sa získala tyčinka jedného kryštálu s jednotnou kryštálovou štruktúrou.

Metóda vedenej formy vyžaduje, aby bola nad téglik inštalovaná vodiaca forma (vyrobená z irídia alebo iných materiálov odolných voči vysokej teplote). Keď je vodiaca forma ponorená do taveniny, tavenina je priťahovaná k hornému povrchu formy pomocou šablóny a sifónového efektu. Tavenina vytvára pôsobením povrchového napätia tenký film a difunduje do okolia. Zárodočný kryštál sa umiestni dolu, aby bol v kontakte s filmom taveniny, a teplotný gradient v hornej časti formy sa reguluje tak, aby koncová strana zárodočného kryštálu kryštalizovala monokryštál s rovnakou štruktúrou ako zárodočný kryštál. Potom sa zárodočný kryštál nepretržite dvíha nahor pomocou ťažného mechanizmu. Zárodočný kryštál dokončí prípravu celého monokryštálu po uvoľnení ramena a rovnakom raste priemeru. Tvar a veľkosť hornej časti formy určujú tvar prierezu kryštálu pestovaného metódou riadenej formy.