4th Generation Semiconductors Gallium Oxide/β-Ga2O3

Ang unang henerasyon ng mga materyales ng semiconductor ay pangunahing kinakatawan ng silikon (Si) at germanium (Ge), na nagsimulang tumaas noong 1950s. Ang Germanium ay nangingibabaw sa mga unang araw at pangunahing ginagamit sa mababang boltahe, mababang dalas, medium-power transistors at photodetector, ngunit dahil sa mahina nitong paglaban sa mataas na temperatura at paglaban sa radiation, unti-unti itong pinalitan ng mga aparatong silikon noong huling bahagi ng 1960s . Ang Silicon pa rin ang pangunahing materyal na semiconductor sa larangan ng microelectronics dahil sa mataas na teknolohikal na kapanahunan nito at mga pakinabang sa gastos.

Ang ikalawang henerasyon ng mga semiconductor na materyales ay pangunahing kinabibilangan ng mga compound semiconductors tulad ng gallium arsenide (GaAs) at indium phosphide (InP), na malawakang ginagamit sa mga high-performance na microwave, millimeter wave, optoelectronics, satellite communications at iba pang larangan. Gayunpaman, kumpara sa silikon, ang gastos nito, teknolohikal na kapanahunan, at materyal na mga katangian ay limitado ang pag-unlad at pagpapasikat ng pangalawang henerasyong mga semiconductor na materyales sa mga merkado na sensitibo sa gastos.

Ang mga kinatawan ng ikatlong henerasyon ng mga semiconductor ay pangunahing kasamagallium nitride (GaN)atsilikon karbid (SiC), at lahat ay pamilyar sa dalawang materyal na ito sa nakalipas na dalawang taon. Ang mga substrate ng SiC ay na-komersyal ng Cree (na kalaunan ay pinalitan ng pangalan na Wolfspeed) noong 1987, ngunit hindi hanggang sa aplikasyon ni Tesla sa mga nakaraang taon na ang malakihang komersyalisasyon ng mga aparatong silicon carbide ay tunay na na-promote. Mula sa automotive main drive hanggang sa photovoltaic energy storage hanggang sa mga consumer white appliances, ang silicon carbide ay pumasok sa ating pang-araw-araw na buhay. Ang application ng GaN ay sikat din sa aming pang-araw-araw na mga mobile phone at computer charging device. Sa kasalukuyan, karamihan sa mga GaN device ay <650V at malawakang ginagamit sa larangan ng consumer. Ang bilis ng paglaki ng kristal ng SiC ay napakabagal (0.1-0.3mm bawat oras), at ang proseso ng paglago ng kristal ay may mataas na mga teknikal na kinakailangan. Sa mga tuntunin ng gastos at kahusayan, ito ay malayo sa maihahambing sa mga produktong nakabatay sa silikon.

Ang pang-apat na henerasyong semiconductors ay pangunahing kasamagallium oxide (Ga2O3), brilyante (Diamond), ataluminum nitride (AlN). Kabilang sa mga ito, ang kahirapan sa paghahanda ng substrate ng gallium oxide ay mas mababa kaysa sa brilyante at aluminum nitride, at ang pag-unlad ng komersyalisasyon nito ay ang pinakamabilis at pinaka-promising. Kung ikukumpara sa Si at mga third-generation na materyales, ang pang-apat na henerasyong semiconductor na materyales ay may mas matataas na band gaps at breakdown field strengths, at maaaring magbigay ng power device na may mas mataas na resistensya ng boltahe.

Isa sa mga bentahe ng gallium oxide sa SiC ay ang nag-iisang kristal nito ay maaaring palaguin sa pamamagitan ng liquid phase method, tulad ng Czochralski method at guided mold method ng tradisyonal na silicon rod production. Ang parehong mga pamamaraan ay unang nag-load ng high-purity gallium oxide powder sa isang iridium crucible at initin ito upang matunaw ang powder.

Ginagamit ng pamamaraang Czochralski ang seed crystal upang makontak ang ibabaw ng natunaw upang simulan ang paglaki ng kristal. Kasabay nito, ang seed crystal ay pinaikot at ang seed crystal rod ay dahan-dahang itinataas upang makakuha ng isang kristal na rod na may pare-parehong kristal na istraktura.

Ang guided mold method ay nangangailangan ng guide mold (gawa sa iridium o iba pang high-temperature resistant materials) na mai-install sa itaas ng crucible. Kapag ang gabay na amag ay nahuhulog sa matunaw, ang matunaw ay naaakit sa itaas na ibabaw ng amag sa pamamagitan ng template at siphon effect. Ang pagkatunaw ay bumubuo ng isang manipis na pelikula sa ilalim ng pagkilos ng pag-igting sa ibabaw at nagkakalat sa paligid. Ang seed crystal ay inilalagay pababa upang makipag-ugnayan sa natutunaw na pelikula, at ang temperatura gradient sa tuktok ng amag ay kinokontrol upang gawing kristal ang dulong mukha ng buto ng isang kristal na may parehong istraktura tulad ng seed crystal. Pagkatapos ang seed crystal ay patuloy na itinataas paitaas sa pamamagitan ng mekanismo ng paghila. Kinukumpleto ng seed crystal ang paghahanda ng buong solong kristal pagkatapos ng paglabas ng balikat at paglaki ng pantay na diameter. Ang hugis at sukat ng tuktok ng amag ay tumutukoy sa cross-sectional na hugis ng kristal na lumago sa pamamagitan ng guided mold method.