4:e generationens halvledare Gallium Oxide/β-Ga2O3

Den första generationen av halvledarmaterial representeras huvudsakligen av kisel (Si) och germanium (Ge), som började stiga på 1950-talet. Germanium var dominerande i de tidiga dagarna och användes främst i lågspännings-, lågfrekventa, medelkraftiga transistorer och fotodetektorer, men på grund av dess dåliga högtemperaturmotstånd och strålningsmotstånd ersattes det gradvis av kiselenheter i slutet av 1960-talet . Kisel är fortfarande det huvudsakliga halvledarmaterialet inom mikroelektronikområdet på grund av dess höga tekniska mognad och kostnadsfördelar.

Den andra generationen av halvledarmaterial inkluderar huvudsakligen sammansatta halvledare som galliumarsenid (GaAs) och indiumfosfid (InP), som används i stor utsträckning inom högpresterande mikrovågor, millimetervågor, optoelektronik, satellitkommunikation och andra områden. Men jämfört med kisel har dess kostnad, tekniska mognad och materialegenskaper begränsat utvecklingen och populariseringen av andra generationens halvledarmaterial på kostnadskänsliga marknader.

Representanter för tredje generationens halvledare inkluderar huvudsakligengalliumnitrid (GaN)ochkiselkarbid (SiC), och alla har varit mycket bekanta med dessa två material under de senaste två åren. SiC-substrat kommersialiserades av Cree (senare omdöpt till Wolfspeed) 1987, men det var inte förrän Teslas ansökan de senaste åren som den storskaliga kommersialiseringen av kiselkarbidenheter verkligen främjades. Från huvudenheter för bilar till lagring av solceller till vita konsumentapparater, kiselkarbid har kommit in i våra dagliga liv. Tillämpningen av GaN är också populär i våra dagliga mobiltelefoner och datorladdningsenheter. För närvarande är de flesta GaN-enheter <650V och används ofta inom konsumentområdet. Kristalltillväxthastigheten för SiC är mycket långsam (0,1-0,3 mm per timme), och kristalltillväxtprocessen har höga tekniska krav. När det gäller kostnad och effektivitet är den långt ifrån jämförbar med kiselbaserade produkter.

Den fjärde generationens halvledare inkluderar främstgalliumoxid (Ga2O3), diamant (Diamant), ochaluminiumnitrid (AlN). Bland dem är svårigheten att förbereda substratet av galliumoxid lägre än för diamant- och aluminiumnitrid, och dess kommersialiseringsframsteg är den snabbaste och mest lovande. Jämfört med Si och tredje generationens material har fjärde generationens halvledarmaterial högre bandgap och genombrottsfältstyrkor och kan ge kraftenheter med högre motståndsspänning.

En av fördelarna med galliumoxid över SiC är att dess enkristall kan odlas med vätskefasmetoden, såsom Czochralski-metoden och guidad formmetoden för traditionell kiselstavproduktion. Båda metoderna laddar först högrent galliumoxidpulver i en iridiumdegel och värmer den för att smälta pulvret.

Czochralski-metoden använder frökristallen för att komma i kontakt med smältans yta för att starta kristalltillväxt. Samtidigt roteras frökristallen och frökristallstaven lyfts långsamt för att erhålla en enda kristallstav med enhetlig kristallstruktur.

Den guidade formmetoden kräver att en styrform (tillverkad av iridium eller andra högtemperaturbeständiga material) installeras ovanför degeln. När styrformen är nedsänkt i smältan, attraheras smältan till den övre ytan av formen av mallen och sifoneffekten. Smältan bildar en tunn film under inverkan av ytspänning och diffunderar till omgivningen. Frökristallen placeras ner för att komma i kontakt med smältfilmen, och temperaturgradienten vid toppen av formen kontrolleras för att få ändytan av frökristallen att kristallisera en enda kristall med samma struktur som frökristallen. Sedan lyfts frökristallen kontinuerligt uppåt av dragmekanismen. Frökristallen fullbordar beredningen av hela singelkristallen efter axelsläpp och tillväxt med samma diameter. Formen och storleken på toppen av formen bestämmer tvärsnittsformen för kristallen som odlas med den guidade formmetoden.