4-osios kartos puslaidininkiai Galio oksidas/β-Ga2O3

Pirmosios kartos puslaidininkines medžiagas daugiausia sudaro silicis (Si) ir germanis (Ge), kurie pradėjo kilti šeštajame dešimtmetyje. Pirmosiomis dienomis vyravo germanis ir daugiausia buvo naudojamas žemos įtampos, žemo dažnio, vidutinės galios tranzistoriuose ir fotodetektoriuose, tačiau dėl prasto atsparumo aukštai temperatūrai ir atsparumo spinduliuotei septintojo dešimtmečio pabaigoje jį palaipsniui pakeitė silicio prietaisai. . Silicis vis dar yra pagrindinė puslaidininkinė medžiaga mikroelektronikos srityje dėl savo aukštos technologinės brandos ir kaštų pranašumų.

Antrosios kartos puslaidininkinės medžiagos daugiausia apima sudėtinius puslaidininkius, tokius kaip galio arsenidas (GaAs) ir indžio fosfidas (InP), kurie plačiai naudojami didelio našumo mikrobangų, milimetrinių bangų, optoelektronikos, palydovinio ryšio ir kitose srityse. Tačiau, palyginti su siliciu, jo kaina, technologinis brandumas ir medžiagų savybės apribojo antrosios kartos puslaidininkinių medžiagų kūrimą ir populiarinimą sąnaudoms jautriose rinkose.

Trečiosios kartos puslaidininkių atstovai daugiausia apimagalio nitridas (GaN)irsilicio karbidas (SiC), ir visi buvo labai susipažinę su šiomis dviem medžiagomis per pastaruosius dvejus metus. SiC substratus „Cree“ (vėliau pervadintas Wolfspeed) 1987 m. pardavinėjo, tačiau tik pastaraisiais metais „Tesla“ paraiška iš tikrųjų paskatino didelio masto silicio karbido prietaisų komercializavimą. Nuo automobilių pagrindinių pavarų iki fotovoltinės energijos kaupimo iki plataus vartojimo baltos spalvos prietaisų – silicio karbidas pateko į mūsų kasdienį gyvenimą. GaN taikymas taip pat populiarus mūsų kasdieniuose mobiliuosiuose telefonuose ir kompiuterių įkrovimo įrenginiuose. Šiuo metu dauguma GaN įrenginių yra <650 V ir yra plačiai naudojami vartotojų srityje. SiC kristalų augimo greitis yra labai lėtas (0,1–0,3 mm per valandą), o kristalų augimo procesui keliami aukšti techniniai reikalavimai. Kalbant apie kainą ir efektyvumą, tai toli gražu nepalyginama su silicio pagrindu pagamintais produktais.

Ketvirtosios kartos puslaidininkiai daugiausia apimagalio oksidas (Ga2O3), deimantas (Deimantas) iraliuminio nitridas (AlN). Tarp jų galio oksido substrato paruošimo sudėtingumas yra mažesnis nei deimantų ir aliuminio nitrido, o jo komercializavimo pažanga yra greičiausia ir perspektyviausia. Palyginti su Si ir trečiosios kartos medžiagomis, ketvirtos kartos puslaidininkinės medžiagos turi didesnį juostų tarpą ir gedimo lauko stiprumą ir gali suteikti galios įrenginius su didesne atsparumo įtampa.

Vienas iš galio oksido pranašumų, palyginti su SiC, yra tas, kad jo monokristalas gali būti auginamas skystosios fazės metodu, pvz., Czochralski metodu ir tradicinės silicio strypų gamybos valdomu pelėsiniu metodu. Abu metodai pirmiausia įkeliami didelio grynumo galio oksido milteliai į iridžio tiglį ir kaitinami, kad milteliai ištirptų.

Czochralskio metodas naudoja sėklų kristalą, kuris liečiasi su lydalo paviršiumi ir pradeda kristalų augimą. Tuo pačiu metu sėklinis kristalas pasukamas, o pradinis kristalo strypas lėtai pakeliamas, kad būtų gautas vieno kristalo strypas su vienoda kristalų struktūra.

Taikant valdomos formos metodą, virš tiglio reikia sumontuoti kreipiamąją formą (pagamintą iš iridžio ar kitų aukštai temperatūrai atsparių medžiagų). Kai kreipiamoji forma panardinama į lydalą, lydalas pritraukiamas prie viršutinio formos paviršiaus šablono ir sifono efektu. Lydalas, veikiamas paviršiaus įtempimo, sudaro ploną plėvelę ir pasklinda į aplinką. Sėklinis kristalas dedamas žemyn, kad liestųsi su lydalo plėvele, o formos viršuje esantis temperatūros gradientas kontroliuojamas taip, kad sėklinio kristalo galas išsikristalizuotų kaip vienas kristalas, kurio struktūra tokia pati kaip ir sėklinio kristalo. Tada sėklų kristalas nuolat keliamas aukštyn traukimo mechanizmu. Sėklinis kristalas užbaigia viso monokristalo paruošimą po peties atleidimo ir vienodo skersmens augimo. Formos viršaus forma ir dydis lemia krištolo, išauginto vadovaujamos formos metodu, skerspjūvio formą.