Semiconduttori di quarta generazione Ossido di gallio/β-Ga2O3

La prima generazione di materiali semiconduttori è rappresentata principalmente dal silicio (Si) e dal germanio (Ge), che hanno iniziato ad emergere negli anni '50. All'inizio il germanio era dominante e veniva utilizzato principalmente nei transistor e nei fotorilevatori a bassa tensione, bassa frequenza e media potenza, ma a causa della sua scarsa resistenza alle alte temperature e alle radiazioni, fu gradualmente sostituito da dispositivi al silicio alla fine degli anni '60. . Il silicio è ancora il principale materiale semiconduttore nel campo della microelettronica grazie alla sua elevata maturità tecnologica e ai vantaggi in termini di costi.

La seconda generazione di materiali semiconduttori comprende principalmente semiconduttori composti come arseniuro di gallio (GaAs) e fosfuro di indio (InP), che sono ampiamente utilizzati nelle microonde ad alte prestazioni, nelle onde millimetriche, nell'optoelettronica, nelle comunicazioni satellitari e in altri campi. Tuttavia, rispetto al silicio, il suo costo, la maturità tecnologica e le proprietà dei materiali hanno limitato lo sviluppo e la diffusione dei materiali semiconduttori di seconda generazione nei mercati sensibili ai costi.

I rappresentanti della terza generazione di semiconduttori includono principalmentenitruro di gallio (GaN)Ecarburo di silicio (SiC), e tutti hanno avuto molta familiarità con questi due materiali negli ultimi due anni. I substrati SiC furono commercializzati da Cree (in seguito ribattezzata Wolfspeed) nel 1987, ma è stato solo con l'applicazione di Tesla negli ultimi anni che la commercializzazione su larga scala di dispositivi in ​​carburo di silicio è stata veramente promossa. Dagli azionamenti principali automobilistici allo stoccaggio dell'energia fotovoltaica fino agli elettrodomestici bianchi di consumo, il carburo di silicio è entrato nella nostra vita quotidiana. L'applicazione GaN è popolare anche nei nostri telefoni cellulari e nei dispositivi di ricarica dei computer di tutti i giorni. Attualmente, la maggior parte dei dispositivi GaN sono <650 V e sono ampiamente utilizzati nel settore consumer. La velocità di crescita dei cristalli di SiC è molto lenta (0,1-0,3 mm all'ora) e il processo di crescita dei cristalli presenta requisiti tecnici elevati. In termini di costi ed efficienza, è lungi dall’essere paragonabile ai prodotti a base di silicio.

I semiconduttori di quarta generazione includono principalmenteossido di gallio (Ga2O3), diamante (Diamante) enitruro di alluminio (AlN). Tra questi, la difficoltà di preparare il substrato dell'ossido di gallio è inferiore a quella del diamante e del nitruro di alluminio, e il suo progresso nella commercializzazione è il più rapido e promettente. Rispetto al Si e ai materiali di terza generazione, i materiali semiconduttori di quarta generazione hanno bande proibite e intensità di campo di rottura più elevate e possono fornire dispositivi di potenza con una tensione di resistenza più elevata.

Uno dei vantaggi dell'ossido di gallio rispetto al SiC è che il suo singolo cristallo può essere coltivato con il metodo della fase liquida, come il metodo Czochralski e il metodo dello stampo guidato della tradizionale produzione di barre di silicio. Entrambi i metodi caricano prima la polvere di ossido di gallio ad elevata purezza in un crogiolo di iridio e lo riscaldano per sciogliere la polvere.

Il metodo Czochralski utilizza il cristallo seme per entrare in contatto con la superficie della massa fusa per avviare la crescita dei cristalli. Allo stesso tempo, il cristallo seme viene ruotato e l'asta del cristallo seme viene sollevata lentamente per ottenere un'asta di cristallo singolo con struttura cristallina uniforme.

Il metodo dello stampo guidato richiede l'installazione di uno stampo guida (realizzato in iridio o altri materiali resistenti alle alte temperature) sopra il crogiolo. Quando lo stampo guida è immerso nella massa fusa, la massa fusa viene attratta verso la superficie superiore dello stampo dalla sagoma e dall'effetto sifone. La massa fusa forma una pellicola sottile sotto l'azione della tensione superficiale e si diffonde nell'ambiente circostante. Il cristallo seme viene posizionato in basso per entrare in contatto con la pellicola fusa e il gradiente di temperatura nella parte superiore dello stampo viene controllato per far sì che la faccia terminale del cristallo seme cristallizzi un singolo cristallo con la stessa struttura del cristallo seme. Quindi il cristallo seme viene continuamente sollevato verso l'alto dal meccanismo di trazione. Il cristallo seme completa la preparazione dell'intero cristallo singolo dopo il rilascio della spalla e la crescita di uguale diametro. La forma e le dimensioni della parte superiore dello stampo determinano la forma della sezione trasversale del cristallo cresciuto con il metodo dello stampo guidato.