نیمه هادی های نسل چهارم گالیوم اکسید/β-Ga2O3

اولین نسل از مواد نیمه هادی عمدتاً توسط سیلیکون (Si) و ژرمانیوم (Ge) نشان داده می شود که در دهه 1950 شروع به رشد کردند. ژرمانیوم در روزهای اولیه غالب بود و عمدتاً در ترانزیستورهای کم ولتاژ، فرکانس پایین، توان متوسط ​​و آشکارسازهای نوری استفاده می شد، اما به دلیل مقاومت ضعیف در دمای بالا و مقاومت در برابر تشعشع، در اواخر دهه 1960 به تدریج با دستگاه های سیلیکونی جایگزین شد. . سیلیکون به دلیل بلوغ تکنولوژیکی بالا و مزیت‌های هزینه‌ای که دارد همچنان ماده نیمه‌رسانای اصلی در زمینه میکروالکترونیک است.

نسل دوم مواد نیمه هادی عمدتاً شامل نیمه هادی های ترکیبی مانند آرسنید گالیم (GaAs) و فسفید ایندیم (InP) است که به طور گسترده در امواج مایکروویو با کارایی بالا، امواج میلی متری، اپتوالکترونیک، ارتباطات ماهواره ای و سایر زمینه ها استفاده می شود. با این حال، در مقایسه با سیلیکون، هزینه، بلوغ تکنولوژیکی و خواص مواد، توسعه و رواج مواد نیمه هادی نسل دوم را در بازارهای حساس به هزینه محدود کرده است.

نمایندگان نسل سوم نیمه هادی ها عمدتاً شاملنیترید گالیم (GaN)وکاربید سیلیکون (SiC)، و همه در دو سال گذشته با این دو ماده بسیار آشنا بوده اند. بسترهای SiC توسط Cree (که بعداً به Wolfspeed تغییر نام داد) در سال 1987 تجاری شد، اما تنها با استفاده از تسلا در سال‌های اخیر، تجاری سازی گسترده دستگاه‌های کاربید سیلیکون واقعاً ترویج شد. کاربید سیلیکون از درایوهای اصلی خودرو گرفته تا ذخیره انرژی فتوولتائیک گرفته تا لوازم خانگی سفید مصرفی، وارد زندگی روزمره ما شده است. استفاده از GaN در تلفن های همراه روزانه و دستگاه های شارژ رایانه نیز محبوب است. در حال حاضر، اکثر دستگاه های GaN کمتر از 650 ولت هستند و به طور گسترده در زمینه مصرف کننده استفاده می شوند. سرعت رشد کریستال SiC بسیار آهسته است (0.1-0.3 میلی متر در ساعت) و فرآیند رشد کریستال دارای الزامات فنی بالایی است. از نظر هزینه و کارایی، قابل مقایسه با محصولات مبتنی بر سیلیکون نیست.

نیمه هادی های نسل چهارم عمدتاً شاملاکسید گالیم (Ga2O3)، الماس (Diamond) ونیترید آلومینیوم (AlN). در این میان، سختی تهیه بستر اکسید گالیوم کمتر از الماس و نیترید آلومینیوم است و پیشرفت تجاری آن سریع ترین و امیدوارکننده ترین است. در مقایسه با مواد Si و نسل سوم، مواد نیمه هادی نسل چهارم دارای شکاف باند و قدرت میدان شکست بالاتری هستند و می توانند دستگاه های قدرتی با ولتاژ مقاومت بالاتری ارائه دهند.

یکی از مزایای اکسید گالیوم نسبت به SiC این است که تک کریستال آن را می توان با روش فاز مایع رشد داد، مانند روش Czochralski و روش قالب هدایت شده تولید میله سیلیکونی سنتی. هر دو روش ابتدا پودر اکسید گالیم با خلوص بالا را در یک بوته ایریدیوم قرار می دهند و آن را گرم می کنند تا پودر ذوب شود.

روش Czochralski از کریستال بذر برای تماس با سطح مذاب برای شروع رشد کریستال استفاده می کند. در همان زمان، کریستال بذر چرخانده می شود و میله کریستال دانه به آرامی بلند می شود تا یک میله تک کریستالی با ساختار کریستالی یکنواخت به دست آید.

روش قالب هدایت شونده نیاز به یک قالب راهنما (ساخته شده از ایریدیوم یا سایر مواد مقاوم در برابر دمای بالا) دارد که در بالای بوته نصب شود. وقتی قالب راهنما در مذاب غوطه ور می شود، مذاب توسط قالب و اثر سیفون به سطح بالایی قالب جذب می شود. مذاب تحت اثر کشش سطحی یک لایه نازک تشکیل می دهد و به محیط اطراف پخش می شود. کریستال بذر برای تماس با فیلم مذاب پایین قرار می‌گیرد و گرادیان دما در بالای قالب کنترل می‌شود تا سطح انتهایی کریستال بذر یک کریستال با ساختار مشابه کریستال بذر را متبلور کند. سپس کریستال دانه به طور مداوم توسط مکانیسم کشش به سمت بالا بلند می شود. کریستال دانه آماده سازی کل تک کریستال را پس از رها شدن شانه و رشد با قطر برابر تکمیل می کند. شکل و اندازه بالای قالب، شکل مقطع کریستال رشد یافته به روش قالب هدایت شونده را تعیین می کند.