Czy tlenek galu jest przyszłością elektroniki?

Dotychczas branża elektroniczna największe nadzieje na dalszy rozwój wiązała z dwoma materiałami: węglikiem krzemu (SiC) i azotkiem galu (GaN), które miały zastąpić krzem. Dzięki badaniom prowadzonym przez japońskich naukowców może się jednak okazać, że istnieje alternatywa dla tych półprzewodników. Jeżeli technologię produkcji, nad którą pracują, jak do tej pory z sukcesami, uda się skomercjalizować, konkurencją dla SiC oraz GaN wkrótce, nim one same zdążą wyprzeć z rynku krzem, stanie się tlenek galu (Ga₂O₃).

Co hamuje rozwój rynku podzespołów SiC i GaN?

Szerokość przerwy energetycznej w półprzewodniku to parametr, charakteryzujący energię potrzebną do przejścia elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodzenia. Wartość tej wielkości wpływa na właściwości materiału. Dzięki temu, że w węgliku krzemu i azotku galu przerwa zabroniona jest znacznie szersza (wynosi, odpowiednio, 3,3 i 3,4 eV) niż w innych materiałach, na przykład w krzemie (1,1 eV), podzespoły elektroniczne zbudowane z tych materiałów pracują przy większych napięciach. Ponadto działają one przy wyższych częstotliwościach i mają mniejsze prądy upływu. W rezultacie z podzespołów na bazie SiC i GaN można budować urządzenia bardziej energooszczędne i kompaktowe.

Pomimo tak atrakcyjnych właściwości, na drodze do upowszechnienia się komponentów elektronicznych z węglika krzemu oraz azotku galu niestety wciąż stoi ich cena, na którą największy wpływ mają koszty ich produkcji. Dopóki nie będzie ona porównywalna z ceną ich odpowiedników na bazie krzemu, nie należy się raczej spodziewać, że zapotrzebowanie na nie szybko wzrośnie.

Przełomowa technologia produkcji

Tlenek galu, również zaliczany do półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej, pod tym względem znacznie przewyższa nie tylko krzem, ale i SiC oraz GaN. W przypadku tego materiału szerokość pasma zabronionego wynosi bowiem aż 5 eV.

Niestety półprzewodnik ten charakteryzuje mała wartość przewodności cieplnej. To, bez zastosowania dodatkowych rozwiązań konstrukcyjnych, ograniczało do tej pory możliwości wykorzystania tlenku galu.

Obejściem tego ograniczenia zajęli się naukowcy z Japonii. W założonej z ich udziałem firmie Flosfia udało się opracować innowacyjną technologię produkcji tlenku galu na podłożu z szafiru.

Proces produkcyjny jest szybszy i tańszy niż inne metody. Umożliwia też wykonanie cieńszych struktur, które łatwiej można połączyć z materiałami o większej przewodności cieplnej.

Wykorzystując tę technologię, udało się jak dotychczas wyprodukować diodę o napięciu przebicia 530 V oraz rezystancji przewodzenia 0,1 mΩ·cm², parametrach lepszych niż te do tej pory osiągalne równocześnie w przypadku podzespołów z SiC. Twórcy zapowiadają dalsze udoskonalanie procesu, tak by umożliwiał produkcję komponentów o jeszcze lepszych parametrach. Planują też w perspektywie kilku najbliższych lat jej rozwój na masową skalę

Monika Jaworowska