4. generations halvledere Gallium Oxide/β-Ga2O3

Den første generation af halvledermaterialer er hovedsageligt repræsenteret af silicium (Si) og germanium (Ge), som begyndte at stige i 1950'erne. Germanium var dominerende i de tidlige dage og blev hovedsageligt brugt i lavspændings-, lavfrekvente, mellemeffekttransistorer og fotodetektorer, men på grund af dets dårlige højtemperaturmodstand og strålingsmodstand blev det gradvist erstattet af siliciumenheder i slutningen af ​​1960'erne . Silicium er stadig det vigtigste halvledermateriale inden for mikroelektronik på grund af dets høje teknologiske modenhed og omkostningsfordele.

Den anden generation af halvledermaterialer omfatter hovedsageligt sammensatte halvledere såsom galliumarsenid (GaAs) og indiumphosphid (InP), som er meget udbredt i højtydende mikrobølger, millimeterbølger, optoelektronik, satellitkommunikation og andre områder. Sammenlignet med silicium har dets omkostninger, teknologiske modenhed og materialeegenskaber dog begrænset udviklingen og populariseringen af ​​andengenerations halvledermaterialer på omkostningsfølsomme markeder.

Repræsentanterne for den tredje generation af halvledere omfatter hovedsageligtgalliumnitrid (GaN)ogsiliciumcarbid (SiC), og alle har været meget fortrolige med disse to materialer i de sidste to år. SiC-substrater blev kommercialiseret af Cree (senere omdøbt til Wolfspeed) i 1987, men det var først med Teslas ansøgning i de senere år, at den storstilede kommercialisering af siliciumcarbidenheder virkelig blev fremmet. Fra automotive hoveddrev til fotovoltaisk energilagring til hvide forbrugerapparater, er siliciumcarbid kommet ind i vores daglige liv. Anvendelsen af ​​GaN er også populær i vores daglige mobiltelefoner og computeropladningsenheder. På nuværende tidspunkt er de fleste GaN-enheder <650V og er meget udbredt i forbrugerområdet. Krystalvæksthastigheden for SiC er meget langsom (0,1-0,3 mm i timen), og krystalvækstprocessen har høje tekniske krav. Med hensyn til omkostninger og effektivitet er det langt fra at sammenligne med siliciumbaserede produkter.

Fjerde generations halvledere omfatter hovedsageligtgalliumoxid (Ga2O3), diamant (Diamant), ogaluminiumnitrid (AlN). Blandt dem er vanskeligheden ved at forberede substratet af galliumoxid lavere end for diamant- og aluminiumnitrid, og dets kommercialiseringsfremskridt er den hurtigste og mest lovende. Sammenlignet med Si og tredje generations materialer har fjerde generations halvledermaterialer højere båndgab og nedbrydningsfeltstyrker og kan give strømenheder med højere modstå spænding.

En af fordelene ved galliumoxid i forhold til SiC er, at dets enkeltkrystal kan dyrkes ved væskefasemetoden, såsom Czochralski-metoden og guidet støbemetode til traditionel siliciumstangproduktion. Begge metoder fylder først højrent galliumoxidpulver i en iridium-digel og opvarmer det for at smelte pulveret.

Czochralski-metoden bruger frøkrystallen til at kontakte overfladen af ​​smelten for at starte krystalvækst. Samtidig roteres frøkrystallen, og frøkrystalstangen løftes langsomt for at opnå en enkelt krystalstang med ensartet krystalstruktur.

Den guidede formmetode kræver, at en styreform (lavet af iridium eller andre højtemperaturbestandige materialer) installeres over diglen. Når styreformen er nedsænket i smelten, tiltrækkes smelten til den øvre overflade af formen af ​​skabelonen og sifoneffekten. Smelten danner en tynd film under påvirkning af overfladespænding og diffunderer til omgivelserne. Podekrystallen placeres ned for at komme i kontakt med smeltefilmen, og temperaturgradienten i toppen af ​​formen styres for at få frøkrystallens endeflade til at krystallisere en enkelt krystal med samme struktur som podekrystallen. Derefter løftes frøkrystallen kontinuerligt opad af trækmekanismen. Frøkrystallen fuldender forberedelsen af ​​hele enkeltkrystallen efter skulderfrigivelse og vækst med samme diameter. Formen og størrelsen af ​​toppen af ​​formen bestemmer tværsnitsformen af ​​krystallen, der dyrkes ved hjælp af den guidede formmetode.