4. generációs félvezetők gallium-oxid/β-Ga2O3

A félvezető anyagok első generációját főként a szilícium (Si) és a germánium (Ge) képviseli, amelyek az 1950-es években kezdtek emelkedni. A germánium domináns volt a korai időkben, főként kisfeszültségű, alacsony frekvenciájú, közepes teljesítményű tranzisztorokban és fotodetektorokban használták, de gyenge magas hőmérséklet- és sugárzásállósága miatt az 1960-as évek végén fokozatosan felváltották a szilícium eszközökre. . A szilícium továbbra is a fő félvezető anyag a mikroelektronika területén magas technológiai érettségének és költségelőnyeinek köszönhetően.

A félvezető anyagok második generációjába főleg összetett félvezetők tartoznak, mint például a gallium-arzenid (GaAs) és az indium-foszfid (InP), amelyeket széles körben használnak a nagy teljesítményű mikrohullámú, milliméteres hullámok, optoelektronika, műholdas kommunikáció és más területeken. A szilíciummal összehasonlítva azonban költsége, technológiai érettsége és anyagtulajdonságai korlátozták a második generációs félvezető anyagok fejlesztését és népszerűsítését a költségérzékeny piacokon.

A félvezetők harmadik generációjának képviselői főleggallium-nitrid (GaN)ésszilícium-karbid (SiC), és mindenki nagyon jól ismerte ezt a két anyagot az elmúlt két évben. A szilícium-karbid szubsztrátokat a Cree (később Wolfspeed néven) 1987-ben forgalmazta, de a szilícium-karbid eszközök nagyszabású kereskedelmi forgalomba hozatala csak a Tesla elmúlt években történt alkalmazásáig terjedt el igazán. Az autóipari főhajtásoktól a fotovoltaikus energiatárolókon át a fogyasztói fehér készülékekig a szilícium-karbid belépett mindennapi életünkbe. A GaN alkalmazása mindennapi mobiltelefonjainkban és számítógépes töltőkészülékeinkben is népszerű. Jelenleg a legtöbb GaN eszköz 650 V alatti, és széles körben használják a fogyasztói területen. A SiC kristálynövekedési sebessége nagyon lassú (0,1-0,3 mm/óra), és a kristálynövekedési folyamat magas műszaki követelményeket támaszt. Költség és hatékonyság szempontjából közel sem hasonlítható a szilícium alapú termékekhez.

A negyedik generációs félvezetők főkéntgallium-oxid (Ga2O3), gyémánt (Diamond), ésalumínium-nitrid (AlN). Közülük a gallium-oxid szubsztrátum előkészítésének nehézsége kisebb, mint a gyémánt- és alumínium-nitridéké, és ennek kereskedelmi forgalomba hozatala a leggyorsabb és legígéretesebb. Összehasonlítva a Si és a harmadik generációs anyagokkal, a negyedik generációs félvezető anyagok nagyobb sávrésekkel és áttörési térerősséggel rendelkeznek, és nagyobb ellenállási feszültséggel rendelkeznek.

A gallium-oxid egyik előnye a SiC-vel szemben, hogy egykristálya folyadékfázisú módszerrel, például a Czochralski-módszerrel és a hagyományos szilíciumrúd-gyártás irányított öntőformájával nevelhető. Mindkét módszer először nagy tisztaságú gallium-oxid port tölt be egy irídium tégelybe, és melegíti, hogy a por megolvadjon.

A Czochralski-módszer a magkristály segítségével érintkezik az olvadék felületével, és ezzel elindítja a kristálynövekedést. Ezzel egyidejűleg az oltókristályt forgatják, és az oltókristály rudat lassan felemelik, hogy egységes kristályszerkezetű egykristály rudat kapjanak.

Az irányított öntőforma-módszer megköveteli, hogy a tégely fölé egy (iridiumból vagy más, magas hőmérsékletnek ellenálló anyagból készült) vezetőformát kell felszerelni. Amikor a vezetőforma belemerül az olvadékba, az olvadékot a sablon és a szifon hatás a forma felső felületéhez vonzza. Az olvadék a felületi feszültség hatására vékony filmréteget képez, és kidiffundál a környezetbe. A magkristályt lehelyezzük, hogy érintkezzen az olvadékfilmmel, és az öntőforma tetején lévő hőmérsékleti gradienst úgy szabályozzuk, hogy a magkristály végfelülete a magkristályéval megegyező szerkezetű egykristály legyen. Ezután a magkristályt a húzószerkezet folyamatosan felfelé emeli. A magkristály befejezi a teljes egykristály előkészítését a váll elengedése és az azonos átmérőjű növekedés után. Az öntőforma tetejének alakja és mérete határozza meg az irányított forma módszerrel növesztett kristály keresztmetszeti alakját.