4. generasjons halvledere Gallium Oxide/β-Ga2O3

Den første generasjonen av halvledermaterialer er hovedsakelig representert av silisium (Si) og germanium (Ge), som begynte å øke på 1950-tallet. Germanium var dominerende i de tidlige dagene og ble hovedsakelig brukt i lavspente, lavfrekvente, middels kraftige transistorer og fotodetektorer, men på grunn av sin dårlige høytemperaturmotstand og strålingsmotstand ble den gradvis erstattet av silisiumenheter på slutten av 1960-tallet . Silisium er fortsatt det viktigste halvledermaterialet innen mikroelektronikk på grunn av dets høye teknologiske modenhet og kostnadsfordeler.

Den andre generasjonen av halvledermaterialer inkluderer hovedsakelig sammensatte halvledere som galliumarsenid (GaAs) og indiumfosfid (InP), som er mye brukt i høyytelsesmikrobølger, millimeterbølger, optoelektronikk, satellittkommunikasjon og andre felt. Sammenlignet med silisium har imidlertid dets kostnader, teknologiske modenhet og materialegenskaper begrenset utviklingen og populariseringen av andregenerasjons halvledermaterialer i kostnadsfølsomme markeder.

Representantene for tredje generasjon halvledere inkluderer hovedsakeliggalliumnitrid (GaN)ogsilisiumkarbid (SiC), og alle har vært godt kjent med disse to materialene de siste to årene. SiC-substrater ble kommersialisert av Cree (senere omdøpt til Wolfspeed) i 1987, men det var ikke før Teslas søknad de siste årene at storskala kommersialisering av silisiumkarbidenheter virkelig ble fremmet. Fra hovedstasjoner for biler til lagring av solceller til hvite forbruksapparater, har silisiumkarbid kommet inn i hverdagen vår. Bruken av GaN er også populær i våre daglige mobiltelefoner og datamaskinladere. For tiden er de fleste GaN-enheter <650V og er mye brukt i forbrukerfeltet. Krystallveksthastigheten til SiC er veldig langsom (0,1-0,3 mm per time), og krystallvekstprosessen har høye tekniske krav. Når det gjelder kostnad og effektivitet, er det langt fra sammenlignbart med silisiumbaserte produkter.

Fjerde generasjons halvledere inkluderer hovedsakeliggalliumoksid (Ga2O3), diamant (Diamant), ogaluminiumnitrid (AlN). Blant dem er vanskeligheten med å forberede substratet av galliumoksid lavere enn for diamant- og aluminiumnitrid, og kommersialiseringsfremgangen er den raskeste og mest lovende. Sammenlignet med Si og tredjegenerasjonsmaterialer har fjerdegenerasjons halvledermaterialer høyere båndgap og sammenbruddsfeltstyrker, og kan gi kraftenheter med høyere motstandsspenning.

En av fordelene med galliumoksid fremfor SiC er at dens enkeltkrystall kan dyrkes ved væskefasemetoden, for eksempel Czochralski-metoden og guidet formmetode for tradisjonell silisiumstangproduksjon. Begge metodene laster først høyrent galliumoksidpulver inn i en iridiumdigel og varmes opp for å smelte pulveret.

Czochralski-metoden bruker frøkrystallen til å kontakte overflaten av smelten for å starte krystallvekst. Samtidig roteres frøkrystallen og frøkrystallstaven løftes sakte for å oppnå en enkelt krystallstav med jevn krystallstruktur.

Den guidede formmetoden krever at en styreform (laget av iridium eller andre høytemperaturbestandige materialer) installeres over digelen. Når styreformen er nedsenket i smelten, tiltrekkes smelten til den øvre overflaten av formen av malen og sifoneffekten. Smelten danner en tynn film under påvirkning av overflatespenning og diffunderer til omgivelsene. Frøkrystallen plasseres ned for å komme i kontakt med smeltefilmen, og temperaturgradienten på toppen av formen kontrolleres for å få endeflaten til frøkrystallen til å krystallisere en enkelt krystall med samme struktur som frøkrystallen. Deretter løftes frøkrystallen kontinuerlig oppover av trekkmekanismen. Frøkrystallen fullfører forberedelsen av hele enkeltkrystallen etter skulderfrigjøring og vekst med lik diameter. Formen og størrelsen på toppen av formen bestemmer tverrsnittsformen til krystallen som dyrkes ved hjelp av den guidede formmetoden.