Halbleiter der 4. Generation Galliumoxid/β-Ga2O3

Die erste Generation von Halbleitermaterialien besteht hauptsächlich aus Silizium (Si) und Germanium (Ge), deren Aufstieg in den 1950er Jahren begann. Germanium war in der Anfangszeit vorherrschend und wurde hauptsächlich in Niederspannungs-, Niederfrequenz- und Mittelleistungstransistoren und Fotodetektoren verwendet. Aufgrund seiner geringen Hochtemperaturbeständigkeit und Strahlungsbeständigkeit wurde es jedoch Ende der 1960er Jahre nach und nach durch Siliziumgeräte ersetzt . Silizium ist aufgrund seiner hohen technologischen Reife und Kostenvorteile nach wie vor das wichtigste Halbleitermaterial im Bereich der Mikroelektronik.

Zur zweiten Generation von Halbleitermaterialien gehören hauptsächlich Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid (GaAs) und Indiumphosphid (InP), die in Hochleistungsmikrowellen, Millimeterwellen, Optoelektronik, Satellitenkommunikation und anderen Bereichen weit verbreitet sind. Allerdings haben seine Kosten, seine technologische Reife und seine Materialeigenschaften im Vergleich zu Silizium die Entwicklung und Verbreitung von Halbleitermaterialien der zweiten Generation in kostensensiblen Märkten eingeschränkt.

Zu den Vertretern der dritten Halbleitergeneration zählen vor allemGalliumnitrid (GaN)UndSiliziumkarbid (SiC), und jeder war in den letzten zwei Jahren mit diesen beiden Materialien bestens vertraut. SiC-Substrate wurden 1987 von Cree (später in Wolfspeed umbenannt) kommerzialisiert, aber erst durch Teslas Anwendung in den letzten Jahren wurde die groß angelegte Kommerzialisierung von Siliziumkarbid-Geräten wirklich vorangetrieben. Von Hauptantrieben für Kraftfahrzeuge über Photovoltaik-Energiespeicher bis hin zu Haushaltsgeräten hat Siliziumkarbid Einzug in unser tägliches Leben gehalten. Die Anwendung von GaN ist auch in unseren täglichen Mobiltelefonen und Computer-Ladegeräten beliebt. Derzeit sind die meisten GaN-Geräte <650 V und werden häufig im Verbraucherbereich eingesetzt. Die Kristallwachstumsgeschwindigkeit von SiC ist sehr langsam (0,1–0,3 mm pro Stunde) und der Kristallwachstumsprozess stellt hohe technische Anforderungen. Hinsichtlich Kosten und Effizienz ist es bei weitem nicht mit Produkten auf Siliziumbasis vergleichbar.

Zu den Halbleitern der vierten Generation gehören hauptsächlichGalliumoxid (Ga2O3), Diamant (Diamant) undAluminiumnitrid (AlN). Unter diesen ist die Schwierigkeit bei der Herstellung des Substrats aus Galliumoxid geringer als bei Diamant und Aluminiumnitrid, und der Fortschritt bei der Kommerzialisierung ist am schnellsten und vielversprechendsten. Im Vergleich zu Si und Materialien der dritten Generation weisen die Halbleitermaterialien der vierten Generation höhere Bandlücken und Durchbruchfeldstärken auf und können Leistungsbauelemente mit höherer Spannungsfestigkeit ausstatten.

Einer der Vorteile von Galliumoxid gegenüber SiC besteht darin, dass sein Einkristall durch Flüssigphasenverfahren gezüchtet werden kann, beispielsweise durch das Czochralski-Verfahren und das geführte Formverfahren der traditionellen Siliziumstabproduktion. Bei beiden Methoden wird zunächst hochreines Galliumoxidpulver in einen Iridiumtiegel gefüllt und erhitzt, um das Pulver zu schmelzen.

Bei der Czochralski-Methode kommt der Impfkristall mit der Oberfläche der Schmelze in Kontakt, um das Kristallwachstum zu starten. Gleichzeitig wird der Impfkristall gedreht und der Impfkristallstab langsam angehoben, um einen Einkristallstab mit gleichmäßiger Kristallstruktur zu erhalten.

Bei der geführten Formmethode muss eine Führungsform (aus Iridium oder anderen hochtemperaturbeständigen Materialien) über dem Tiegel installiert werden. Wenn die Führungsform in die Schmelze eingetaucht wird, wird die Schmelze durch den Schablonen- und Siphoneffekt von der oberen Oberfläche der Form angezogen. Die Schmelze bildet unter Einwirkung der Oberflächenspannung einen dünnen Film und diffundiert an die Umgebung. Der Impfkristall wird nach unten gelegt, um mit dem Schmelzfilm in Kontakt zu kommen, und der Temperaturgradient an der Oberseite der Form wird so gesteuert, dass die Endfläche des Impfkristalls einen Einkristall mit der gleichen Struktur wie der Impfkristall kristallisiert. Anschließend wird der Impfkristall durch den Zugmechanismus kontinuierlich nach oben gehoben. Der Impfkristall vervollständigt die Herstellung des gesamten Einkristalls nach Schulterfreigabe und Wachstum mit gleichem Durchmesser. Die Form und Größe der Oberseite der Form bestimmen die Querschnittsform des mit der geführten Formmethode gezüchteten Kristalls.