4. põlvkonna pooljuhid galliumoksiid/β-Ga2O3

Esimese põlvkonna pooljuhtmaterjale esindavad peamiselt räni (Si) ja germaanium (Ge), mis hakkasid tõusma 1950. aastatel. Germaanium oli algusaegadel domineeriv ja seda kasutati peamiselt madalpinge-, madalsagedus-, keskmise võimsusega transistorides ja fotodetektorites, kuid halva kõrge temperatuuritaluvuse ja kiirguskindluse tõttu asendati see 1960. aastate lõpus järk-järgult räniseadmetega. . Räni on oma kõrge tehnoloogilise küpsuse ja kulueeliste tõttu endiselt peamine pooljuhtmaterjal mikroelektroonika valdkonnas.

Teise põlvkonna pooljuhtmaterjalid hõlmavad peamiselt liitpooljuhte, nagu galliumarseniid (GaAs) ja indiumfosfiid (InP), mida kasutatakse laialdaselt suure jõudlusega mikrolainetes, millimeeterlainetes, optoelektroonikas, satelliitsides ja muudes valdkondades. Kuid võrreldes räniga on selle maksumus, tehnoloogiline küpsus ja materjali omadused piiranud teise põlvkonna pooljuhtmaterjalide väljatöötamist ja populariseerimist kulutundlikel turgudel.

Kolmanda põlvkonna pooljuhtide esindajad hõlmavad peamiseltgalliumnitriid (GaN)jaränikarbiid (SiC), ja kõik on nende kahe materjaliga viimase kahe aasta jooksul väga tuttavad. Cree (hiljem nimetati ümber Wolfspeediks) turustas ränikarbiidi substraate 1987. aastal, kuid ränikarbiidist seadmete ulatuslikku turustamist hakati tõeliselt edendama alles Tesla viimastel aastatel. Ränikarbiid on sisenenud meie igapäevaellu alates autotööstuse põhiajamitest kuni fotogalvaaniliste energiasalvestusteni ja lõpetades valgete tarbeseadmetega. GaN-i rakendus on populaarne ka meie igapäevastes mobiiltelefonides ja arvutite laadimisseadmetes. Praegu on enamik GaN seadmeid alla 650 V ja neid kasutatakse laialdaselt tarbijate valdkonnas. SiC kristallide kasvukiirus on väga aeglane (0,1–0,3 mm tunnis) ja kristallide kasvuprotsessil on kõrged tehnilised nõuded. Kulude ja tõhususe poolest pole see ränipõhiste toodetega kaugeltki võrreldav.

Neljanda põlvkonna pooljuhid hõlmavad peamiseltgalliumoksiid (Ga2O3), teemant (Teemant) jaalumiiniumnitriid (AlN). Nende hulgas on galliumoksiidi substraadi ettevalmistamise raskused madalamad kui teemandil ja alumiiniumnitriidil ning selle turustamise edenemine on kiireim ja paljutõotavam. Võrreldes Si ja kolmanda põlvkonna materjalidega on neljanda põlvkonna pooljuhtmaterjalidel suuremad ribalaiused ja läbilöögiväljatugevused ning need võivad pakkuda suuremat pingetaluvust toiteseadmeid.

Galliumoksiidi üks eeliseid ränikarbiidi ees on see, et selle monokristalle saab kasvatada vedelfaasi meetodil, näiteks Czochralski meetodil ja traditsioonilise ränivardade tootmise juhitava vormi meetodil. Mõlema meetodi puhul laaditakse esmalt kõrge puhtusastmega galliumoksiidi pulber iriidiumi tiiglisse ja kuumutatakse seda pulbri sulatamiseks.

Czochralski meetod kasutab idukristalli kontakti sulami pinnaga, et alustada kristallide kasvu. Samal ajal pööratakse algkristalli ja algkristalli varda tõstetakse aeglaselt, et saada ühtlase kristallstruktuuriga monokristallpulk.

Juhitava vormi meetod eeldab, et tiigli kohale tuleb paigaldada juhtvorm (valmistatud iriidiumist või muust kõrgele temperatuurile vastupidavast materjalist). Kui juhtvorm on sukeldatud sulatisse, tõmbab sulatit šablooni ja sifooni efekti abil vormi ülemisele pinnale. Sulatus moodustab pindpinevuste mõjul õhukese kile ja hajub ümbruskonda. Seemnekristall asetatakse allapoole, et see puutuks kokku sulatuskilega, ja temperatuuri gradienti vormi ülaosas kontrollitakse nii, et idukristalli otspind kristalliseeruks üksikkristallina, millel on sama struktuur kui algkristallidel. Seejärel tõstetakse tõmbemehhanismi abil seemnekristalli pidevalt ülespoole. Seemnekristall lõpetab kogu monokristalli valmistamise pärast õla vabastamist ja võrdse läbimõõduga kasvu. Vormi ülaosa kuju ja suurus määravad juhitava vormi meetodil kasvatatud kristalli ristlõike kuju.