4-то поколение полупроводници Галиев оксид/β-Ga2O3

Първото поколение полупроводникови материали е представено главно от силиций (Si) и германий (Ge), които започват да се издигат през 50-те години на миналия век. Германият беше доминиращ в ранните дни и се използваше главно в нисковолтови, нискочестотни, средномощни транзистори и фотодетектори, но поради слабата си устойчивост на висока температура и устойчивост на радиация, той постепенно беше заменен от силициеви устройства в края на 60-те години . Силицият все още е основният полупроводников материал в областта на микроелектрониката поради високата си технологична зрялост и предимствата на разходите.

Второто поколение полупроводникови материали включва главно съставни полупроводници като галиев арсенид (GaAs) и индиев фосфид (InP), които се използват широко във високоефективни микровълни, милиметрови вълни, оптоелектроника, сателитни комуникации и други области. Въпреки това, в сравнение със силиция, неговата цена, технологична зрялост и свойства на материала ограничават развитието и популяризирането на второ поколение полупроводникови материали на чувствителни към разходите пазари.

Представителите на третото поколение полупроводници включват основногалиев нитрид (GaN)исилициев карбид (SiC)и всички бяха добре запознати с тези два материала през последните две години. SiC субстратите бяха комерсиализирани от Cree (по-късно преименувана на Wolfspeed) през 1987 г., но едва с приложението на Tesla през последните години широкомащабната комерсиализация на устройства от силициев карбид беше наистина насърчена. От главните автомобилни задвижвания през фотоволтаичните системи за съхранение на енергия до потребителските бели уреди, силициевият карбид навлезе в ежедневието ни. Приложението на GaN също е популярно в нашите ежедневни мобилни телефони и устройства за зареждане на компютри. Понастоящем повечето GaN устройства са <650V и се използват широко в потребителската сфера. Скоростта на растеж на кристалите на SiC е много бавна (0,1-0,3 mm на час), а процесът на растеж на кристали има високи технически изисквания. По отношение на цена и ефективност, той далеч не е сравним с продуктите на основата на силиций.

Полупроводниците от четвърто поколение включват главногалиев оксид (Ga2O3), диамант (Диамант) иалуминиев нитрид (AlN). Сред тях трудността при подготовката на субстрата от галиев оксид е по-ниска от тази на диаманта и алуминиевия нитрид, а прогресът на комерсиализацията му е най-бързият и най-обещаващият. В сравнение със Si и материалите от трето поколение, полупроводниковите материали от четвърто поколение имат по-големи пропуски в лентата и напрегнатост на пробивното поле и могат да осигурят захранващи устройства с по-високо издържащо напрежение.

Едно от предимствата на галиевия оксид пред SiC е, че неговият монокристал може да бъде отгледан чрез метод на течна фаза, като метода на Чохралски и метода на направлявана форма при традиционното производство на силициеви пръти. И двата метода първо зареждат прах от галиев оксид с висока чистота в иридиев тигел и го загряват, за да разтопи праха.

Методът на Чохралски използва зародишния кристал за контакт с повърхността на стопилката, за да започне растежа на кристала. В същото време зародишният кристал се завърта и зародишният кристален прът се повдига бавно, за да се получи единична кристална пръчка с еднаква кристална структура.

Методът с направлявана форма изисква водеща форма (направена от иридий или други устойчиви на висока температура материали) да бъде монтирана над тигела. Когато водещата форма е потопена в стопилката, стопилката се привлича към горната повърхност на матрицата от ефекта на шаблона и сифона. Стопилката образува тънък филм под действието на повърхностното напрежение и дифундира в околната среда. Зародишният кристал се поставя надолу, за да влезе в контакт с филма от стопилката, а температурният градиент в горната част на матрицата се контролира, за да накара крайната повърхност на зародишния кристал да кристализира единичен кристал със същата структура като зародишния кристал. След това зародишният кристал непрекъснато се повдига нагоре от издърпващия механизъм. Зародишният кристал завършва подготовката на целия монокристал след освобождаване на рамото и растеж с равен диаметър. Формата и размерът на горната част на матрицата определят формата на напречното сечение на кристала, отгледан чрез метода на направлявана форма.