第4世代半導体酸化ガリウム/β-Ga2O3

第一世代の半導体材料は主にシリコン (Si) とゲルマニウム (Ge) に代表され、1950 年代に台頭し始めました。ゲルマニウムは初期には主流であり、主に低電圧、低周波数、中出力のトランジスタや光検出器に使用されていましたが、高温耐性と放射線耐性が低いため、1960 年代後半には徐々にシリコン デバイスに置き換えられました。 。シリコンは、その高い技術的成熟度とコスト上の利点により、依然としてマイクロエレクトロニクス分野の主要な半導体材料です。

第 2 世代の半導体材料には、主にガリウムヒ素 (GaAs) やリン化インジウム (InP) などの化合物半導体が含まれており、高性能マイクロ波、ミリ波、オプトエレクトロニクス、衛星通信などの分野で広く使用されています。しかし、シリコンと比較すると、そのコスト、技術の成熟度、材料特性により、コスト重視の市場における第二世代半導体材料の開発と普及が制限されています。

第 3 世代の半導体の代表的なものは主に次のとおりです。窒化ガリウム（GaN）そして炭化ケイ素（SiC）、そして過去 2 年間で誰もがこれら 2 つのマテリアルによく慣れてきました。 SiC 基板は 1987 年に Cree (後に Wolfspeed に社名変更) によって商品化されましたが、炭化ケイ素デバイスの大規模な商品化が真に促進されたのは、近年の Tesla の応用まででした。自動車のメインドライブから太陽光発電エネルギー貯蔵装置、白物家電に至るまで、炭化ケイ素は私たちの日常生活に浸透しています。 GaN は、日常的に使用される携帯電話やコンピュータの充電装置にも応用されています。現在、ほとんどの GaN デバイスは 650V 未満であり、民生分野で広く使用されています。 SiC の結晶成長速度は非常に遅く (1 時間あたり 0.1 ～ 0.3 mm)、結晶成長プロセスには高い技術要件が必要です。コストと効率の点では、シリコンベースの製品には遠く及びません。

第4世代半導体には主に以下のものがあります。酸化ガリウム（Ga2O3）、ダイヤモンド（ダイヤモンド）、そして窒化アルミニウム（AlN）。中でも、酸化ガリウムはダイヤモンドや窒化アルミニウムに比べて基板作製の難易度が低く、実用化の進展が最も早く、最も有望である。第4世代半導体材料は、Siや第3世代材料と比較して、バンドギャップや破壊電界強度が高く、より高耐圧のパワーデバイスを実現できます。

SiCに対する酸化ガリウムの利点の1つは、その単結晶がチョクラルスキー法や従来のシリコンロッド製造のガイドモールド法などの液相法で成長できることです。どちらの方法でも、まず高純度の酸化ガリウム粉末をイリジウムるつぼに入れ、加熱して粉末を溶かします。

チョクラルスキー法では、種結晶を融液の表面に接触させて結晶成長を開始します。同時に種結晶を回転させ、種結晶棒をゆっくりと引き上げることにより、均一な結晶構造を有する単結晶棒が得られる。

ガイドモールド法では、るつぼの上にガイドモールド（イリジウムなどの高温耐性材料で作られたもの）を設置する必要があります。ガイドモールドを溶湯に浸漬すると、テンプレートとサイフォン効果により溶湯がモールド上面に引き寄せられます。溶融物は表面張力の作用により薄い膜を形成し、周囲に拡散します。種結晶を融液膜に接触させるように下方に置き、型上部の温度勾配を制御して種結晶の端面から種結晶と同じ構造の単結晶を結晶化させる。その後、引上げ機構により種結晶が連続的に上方に引き上げられる。種結晶は、ショルダーリリースと等径成長の後、単結晶全体の準備を完了します。モールド上部の形状と大きさによって、ガイドモールド法で育成される結晶の断面形状が決まります。