Semi-conducteurs de 4e génération Oxyde de gallium/β-Ga2O3

La première génération de matériaux semi-conducteurs est principalement représentée par le silicium (Si) et le germanium (Ge), qui ont commencé à se développer dans les années 1950. Le germanium était dominant au début et était principalement utilisé dans les transistors et photodétecteurs basse tension, basse fréquence et moyenne puissance, mais en raison de sa faible résistance aux températures élevées et aux radiations, il a été progressivement remplacé par des dispositifs au silicium à la fin des années 1960. . Le silicium reste le principal matériau semi-conducteur dans le domaine de la microélectronique en raison de sa grande maturité technologique et de ses avantages en termes de coûts.

La deuxième génération de matériaux semi-conducteurs comprend principalement des semi-conducteurs composés tels que l'arséniure de gallium (GaAs) et le phosphure d'indium (InP), qui sont largement utilisés dans les micro-ondes haute performance, les ondes millimétriques, l'optoélectronique, les communications par satellite et d'autres domaines. Cependant, par rapport au silicium, son coût, sa maturité technologique et ses propriétés matérielles ont limité le développement et la vulgarisation des matériaux semi-conducteurs de deuxième génération sur les marchés sensibles aux coûts.

Les représentants de la troisième génération de semi-conducteurs comprennent principalementnitrure de gallium (GaN)etcarbure de silicium (SiC), et tout le monde connaît très bien ces deux matériaux au cours des deux dernières années. Les substrats SiC ont été commercialisés par Cree (rebaptisé plus tard Wolfspeed) en 1987, mais ce n'est qu'avec l'application de Tesla ces dernières années que la commercialisation à grande échelle des dispositifs en carbure de silicium a été véritablement encouragée. Des moteurs automobiles au stockage d’énergie photovoltaïque en passant par les appareils électroménagers grand public, le carbure de silicium est entré dans notre vie quotidienne. L’application du GaN est également populaire dans nos téléphones mobiles et nos chargeurs d’ordinateurs quotidiens. À l'heure actuelle, la plupart des appareils GaN sont <650 V et sont largement utilisés dans le domaine grand public. La vitesse de croissance cristalline du SiC est très lente (0,1 à 0,3 mm par heure) et le processus de croissance cristalline nécessite des exigences techniques élevées. En termes de coût et d’efficacité, il est loin d’être comparable aux produits à base de silicium.

Les semi-conducteurs de quatrième génération comprennent principalementoxyde de gallium (Ga2O3), diamant (Diamant), etnitrure d'aluminium (AlN). Parmi eux, la difficulté de préparer le substrat d'oxyde de gallium est inférieure à celle du diamant et du nitrure d'aluminium, et ses progrès de commercialisation sont les plus rapides et les plus prometteurs. Comparés au Si et aux matériaux de troisième génération, les matériaux semi-conducteurs de quatrième génération présentent des bandes interdites et des intensités de champ de claquage plus élevées, et peuvent fournir des dispositifs d'alimentation avec une tension de tenue plus élevée.

L'un des avantages de l'oxyde de gallium par rapport au SiC est que son monocristal peut être développé par une méthode en phase liquide, telle que la méthode Czochralski et la méthode de moulage guidé de la production traditionnelle de tiges de silicium. Les deux méthodes chargent d’abord de la poudre d’oxyde de gallium de haute pureté dans un creuset en iridium et la chauffent pour faire fondre la poudre.

La méthode Czochralski utilise le germe cristallin pour entrer en contact avec la surface de la masse fondue afin de démarrer la croissance cristalline. En même temps, le cristal germe est mis en rotation et la tige de cristal germe est lentement soulevée pour obtenir une tige monocristalline avec une structure cristalline uniforme.

La méthode du moule guidé nécessite qu'un moule de guidage (en iridium ou d'autres matériaux résistants aux hautes températures) soit installé au-dessus du creuset. Lorsque le moule de guidage est immergé dans la masse fondue, la masse fondue est attirée vers la surface supérieure du moule par l'effet de gabarit et de siphon. La masse fondue forme un film mince sous l'action de la tension superficielle et se diffuse dans l'environnement. Le cristal germe est placé pour entrer en contact avec le film fondu, et le gradient de température au sommet du moule est contrôlé pour que la face d'extrémité du cristal germe cristallise un monocristal ayant la même structure que le cristal germe. Ensuite, le cristal germe est continuellement soulevé vers le haut par le mécanisme de traction. Le germe cristallin complète la préparation de l'ensemble du monocristal après libération de l'épaule et croissance de diamètre égal. La forme et la taille du dessus du moule déterminent la forme de la section transversale du cristal développé par la méthode du moule guidé.