Ημιαγωγοί 4ης Γενιάς Οξείδιο του Γαλίου/β-Ga2O3

Η πρώτη γενιά υλικών ημιαγωγών αντιπροσωπεύεται κυρίως από πυρίτιο (Si) και γερμάνιο (Ge), τα οποία άρχισαν να αυξάνονται τη δεκαετία του 1950. Το γερμάνιο ήταν κυρίαρχο στις πρώτες μέρες και χρησιμοποιήθηκε κυρίως σε τρανζίστορ χαμηλής τάσης, χαμηλής συχνότητας, μέσης ισχύος και φωτοανιχνευτές, αλλά λόγω της χαμηλής αντίστασης σε υψηλές θερμοκρασίες και αντοχής στην ακτινοβολία, αντικαταστάθηκε σταδιακά από συσκευές πυριτίου στα τέλη της δεκαετίας του 1960. . Το πυρίτιο εξακολουθεί να είναι το κύριο υλικό ημιαγωγών στον τομέα της μικροηλεκτρονικής λόγω της υψηλής τεχνολογικής του ωριμότητας και των πλεονεκτημάτων κόστους.

Η δεύτερη γενιά υλικών ημιαγωγών περιλαμβάνει κυρίως σύνθετους ημιαγωγούς όπως το αρσενίδιο του γαλλίου (GaAs) και το φωσφίδιο του ινδίου (InP), τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως σε μικροκύματα υψηλής απόδοσης, κύματα χιλιοστών, οπτοηλεκτρονική, δορυφορικές επικοινωνίες και άλλα πεδία. Ωστόσο, σε σύγκριση με το πυρίτιο, το κόστος, η τεχνολογική ωριμότητα και οι ιδιότητες του υλικού έχουν περιορίσει την ανάπτυξη και τη διάδοση υλικών ημιαγωγών δεύτερης γενιάς σε ευαίσθητες στο κόστος αγορές.

Οι εκπρόσωποι της τρίτης γενιάς ημιαγωγών περιλαμβάνουν κυρίωςνιτρίδιο γαλλίου (GaN)καικαρβίδιο του πυριτίου (SiC), και όλοι ήταν πολύ εξοικειωμένοι με αυτά τα δύο υλικά τα τελευταία δύο χρόνια. Τα υποστρώματα SiC διατέθηκαν στο εμπόριο από την Cree (αργότερα μετονομάστηκε σε Wolfspeed) το 1987, αλλά μόνο μετά την εφαρμογή της Tesla τα τελευταία χρόνια προωθήθηκε πραγματικά η μεγάλης κλίμακας εμπορευματοποίηση συσκευών καρβιδίου του πυριτίου. Από τις κύριες μονάδες μετάδοσης κίνησης του αυτοκινήτου μέχρι την αποθήκευση φωτοβολταϊκής ενέργειας έως τις λευκές συσκευές καταναλωτή, το καρβίδιο του πυριτίου έχει εισέλθει στην καθημερινότητά μας. Η εφαρμογή του GaN είναι επίσης δημοφιλής στα καθημερινά μας κινητά τηλέφωνα και συσκευές φόρτισης υπολογιστών. Προς το παρόν, οι περισσότερες συσκευές GaN είναι <650V και χρησιμοποιούνται ευρέως στον τομέα των καταναλωτών. Η ταχύτητα ανάπτυξης κρυστάλλων του SiC είναι πολύ αργή (0,1-0,3 mm ανά ώρα) και η διαδικασία ανάπτυξης κρυστάλλων έχει υψηλές τεχνικές απαιτήσεις. Όσον αφορά το κόστος και την αποτελεσματικότητα, απέχει πολύ από το να συγκρίνεται με τα προϊόντα με βάση το πυρίτιο.

Οι ημιαγωγοί τέταρτης γενιάς περιλαμβάνουν κυρίωςοξείδιο του γαλλίου (Ga2O3), διαμάντι (Diamond), καινιτρίδιο αλουμινίου (AlN). Μεταξύ αυτών, η δυσκολία προετοιμασίας του υποστρώματος του οξειδίου του γαλλίου είναι μικρότερη από αυτή του διαμαντιού και του νιτριδίου του αλουμινίου και η πρόοδος στην εμπορευματοποίησή του είναι η ταχύτερη και πολλά υποσχόμενη. Σε σύγκριση με τα υλικά Si και τρίτης γενιάς, τα υλικά ημιαγωγών τέταρτης γενιάς έχουν υψηλότερα κενά ζώνης και εντάσεις πεδίου διάσπασης και μπορούν να παρέχουν συσκευές ισχύος με υψηλότερη τάση αντοχής.

Ένα από τα πλεονεκτήματα του οξειδίου του γαλλίου έναντι του SiC είναι ότι ο μονοκρύσταλλός του μπορεί να αναπτυχθεί με μέθοδο υγρής φάσης, όπως η μέθοδος Czochralski και η καθοδηγούμενη μέθοδος καλουπιού της παραδοσιακής παραγωγής ράβδων πυριτίου. Και οι δύο μέθοδοι φορτώνουν πρώτα σκόνη οξειδίου του γαλλίου υψηλής καθαρότητας σε ένα χωνευτήριο ιριδίου και το θερμαίνουν για να λιώσει η σκόνη.

Η μέθοδος Czochralski χρησιμοποιεί τον κρύσταλλο των σπόρων για να έρθει σε επαφή με την επιφάνεια του τήγματος για να ξεκινήσει η ανάπτυξη των κρυστάλλων. Ταυτόχρονα, ο σπόρος κρύσταλλος περιστρέφεται και η ράβδος κρυστάλλου σποράς ανυψώνεται αργά για να ληφθεί μια μονοκρυσταλλική ράβδος με ομοιόμορφη κρυσταλλική δομή.

Η μέθοδος του καθοδηγούμενου καλουπιού απαιτεί ένα καλούπι οδηγό (από ιρίδιο ή άλλα ανθεκτικά σε υψηλή θερμοκρασία υλικά) που πρέπει να τοποθετηθεί πάνω από το χωνευτήριο. Όταν το καλούπι οδηγού βυθιστεί στο τήγμα, το τήγμα έλκεται στην άνω επιφάνεια του καλουπιού από το εφέ μήτρας και σιφονιού. Το τήγμα σχηματίζει ένα λεπτό φιλμ υπό την επίδραση της επιφανειακής τάσης και διαχέεται στο περιβάλλον. Ο σπόρος κρύσταλλος τοποθετείται κάτω για να έρθει σε επαφή με το υμένιο τήγματος και η διαβάθμιση θερμοκρασίας στην κορυφή του καλουπιού ελέγχεται για να κάνει την ακραία επιφάνεια του κρυστάλλου σπόρου να κρυσταλλώσει έναν μόνο κρύσταλλο με την ίδια δομή με τον κρύσταλλο σπόρων. Στη συνέχεια, ο κρύσταλλος των σπόρων ανυψώνεται συνεχώς προς τα πάνω από τον μηχανισμό έλξης. Ο σπόρος κρύσταλλος ολοκληρώνει την προετοιμασία ολόκληρου του μονοκρυστάλλου μετά την απελευθέρωση από τον ώμο και την ανάπτυξη ίσης διαμέτρου. Το σχήμα και το μέγεθος της κορυφής του καλουπιού καθορίζουν το σχήμα της διατομής του κρυστάλλου που αναπτύσσεται με τη μέθοδο της καθοδηγούμενης μήτρας.