Оксид галлия: материал, который перевернет мир электроники

Китайские ученые разработали новейшую технологию полупроводников на основе оксида галлия. Этот материал представляет собой четвертое поколение полупроводников, которые обладают устойчивостью к высокому напряжению, низким расходом энергии и меньшим размером. Исследователи уже получили патенты на свое изобретение и продолжают работу над оптимизацией технологии.


Полупроводники из оксида галлия (Ga₂O₃) представляют собой новое поколение полупроводников, которые отличаются от предыдущих моделей несколькими преимуществами. Они обладают высокой устойчивостью к высокому напряжению, имеют меньший размер и низкий расход энергии. Аналитики прогнозируют, что к 2025 году рынок полупроводников из оксида галлия станет сравнимым с рынком полупроводников из нитрида галлия, а к 2030 году его стоимость достигнет 1,542 млрд долларов. Это достижение китайских ученых способно укрепить индустрию производства полупроводников Китая, которую США пытаются ослабить.

За последние десятилетия полупроводники прошли большой путь от примитивных материалов, таких как германий или кремний, до соединений, например, арсенида галлия и фосфида индия, а также материалов с широкой запрещенной зоной, например, карбида кремния и нитрида галлия. Оксид галлия является четвертым поколением полупроводников с сверхширокой запрещенной зоной. Он способен выдерживать сильное электрическое поле, обладает физической и химической стабильностью и потребляет небольшое количество энергии.

Ширина запрещенной зоны в полупроводящем материале является мерой энергии, необходимой для освобождения электронов. Чем выше это значение, тем больше сопротивление материала высокому напряжению. По сравнению с другими материалами, оксид галлия обладает рядом существенных преимуществ.

Однако оксид галлия также имеет ряд проблем, которые затрудняют его практическое использование. Одна из них — это сложность получения качественных кристаллов этого материала. Известно, что оксид галлия имеет пять различных кристаллических фаз: α, β, γ, δ и ε. Среди них наиболее стабильной и подходящей для полупроводниковых приложений является β-фаза, которая имеет моноклинную симметрию и большую ширину запрещенной зоны. Однако β-фаза оксида галлия не может быть получена из расплава при атмосферном давлении, так как она переходит в α-фазу при охлаждении. Поэтому для роста кристаллов β-фазы оксида галлия необходимо использовать высокое давление или специальные добавки.

Ученые из Чжэцзянского университета сделали прорыв в этой области и разработали новый метод роста кристаллов оксида галлия из расплава при обычном давлении. Они обнаружили, что если добавить в расплав небольшое количество других элементов, таких как алюминий или индий, то можно стабилизировать β-фазу оксида галлия и предотвратить ее переход в α-фазу при охлаждении. Таким образом, они смогли получить отдельные кристаллы оксида галлия размером до 10 мм в диаметре и толщиной до 1 мм. Эти кристаллы имеют высокую качественную степень и однородность, а также хорошую электрическую и оптическую активность.

Кроме роста кристаллов, другой важной задачей для развития полупроводников на основе оксида галлия является создание эффективных способов формирования p-n переходов, которые являются основой для изготовления диодов, транзисторов и других приборов. Для этого необходимо вводить примеси в кристаллы оксида галлия, которые могут изменять их электрические свойства. Однако это также представляет собой серьезную проблему, так как оксид галлия имеет очень низкую растворимость примесей и высокую концентрацию врожденных дефектов, которые мешают контролю над проводимостью и типом проводников.

В этом направлении также были достигнуты успехи китайскими учеными из Института физики твердого тела Академии наук Китая. Они разработали новый метод дотирования оксида галлия с помощью плазменно-импульсной техники, которая заключается в том, что кристаллы оксида галлия подвергаются коротким импульсам высокочастотной плазмы, содержащей ионы примесей. Этот метод позволяет вводить примеси в поверхностный слой кристаллов оксида галлия с высокой скоростью и эффективностью, а также уменьшать количество дефектов. Китайские ученые смогли получить p-n переходы на основе оксида галлия, дотированного магнием (p-тип) и сурьмой (n-тип), и продемонстрировать работу диодов на их основе.

Помимо дотирования, другим способом создания p-n переходов является использование гетероструктур, то есть соединения разных полупроводниковых материалов с разной шириной запрещенной зоны. Это позволяет создавать сложные устройства с разными функциями и характеристиками. Однако для этого необходимо обеспечить хорошую совместимость между разными материалами, а также контролировать толщину и качество слоев.

В этом аспекте выдающиеся результаты были достигнуты китайскими учеными из Университета науки и технологии Китая. Они синтезировали гетероструктуры на основе оксида галлия и других широкозонных полупроводников, таких как ZnO, AlN и GaN, с помощью метода молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), который заключается в том, что атомы или молекулы разных материалов осаждаются на подложку в виде тонких слоев. Этот метод позволяет получать гетероструктуры с высокой степенью кристалличности, однородности и точности. Китайские ученые смогли создать гетероструктуры с различными комбинациями материалов, такими как Ga2O3/ZnO, Ga2O3/AlN и Ga2O3/GaN, и изучить их свойства. Они обнаружили, что эти гетероструктуры имеют высокую электрическую и оптическую активность, а также способны формировать p-n переходы с высоким напряжением пробоя и низким уровнем шумов.

Используя полученные кристаллы и гетероструктуры на основе оксида галлия, китайские ученые разработали ряд полупроводниковых приборов, которые демонстрируют высокие характеристики и потенциал для практического применения. Приборы на основе оксида галлия имеют большие преимущества перед аналогичными приборами на основе других полупроводниковых материалов, таких как SiC, GaN и ZnO. Они могут работать при более высоких напряжениях и температурах, потреблять меньше энергии, занимать меньше места и быть более дешевыми в производстве. Это делает их подходящими для различных областей применения, таких как силовая электроника, оптоэлектроника, биомедицина, безопасность и других.