4e generatie halfgeleiders galliumoxide/β-Ga2O3

De eerste generatie halfgeleidermaterialen bestaat voornamelijk uit silicium (Si) en germanium (Ge), dat in de jaren vijftig begon te stijgen. Germanium was in de begintijd dominant en werd voornamelijk gebruikt in laagspannings-, laagfrequente, middenvermogentransistors en fotodetectoren, maar vanwege de slechte weerstand tegen hoge temperaturen en straling werd het eind jaren zestig geleidelijk vervangen door siliciumapparaten. . Silicium is nog steeds het belangrijkste halfgeleidermateriaal op het gebied van de micro-elektronica vanwege de hoge technologische volwassenheid en kostenvoordelen ervan.

De tweede generatie halfgeleidermaterialen omvat voornamelijk samengestelde halfgeleiders zoals galliumarsenide (GaAs) en indiumfosfide (InP), die op grote schaal worden gebruikt in krachtige microgolven, millimetergolven, opto-elektronica, satellietcommunicatie en andere velden. Vergeleken met silicium hebben de kosten, technologische volwassenheid en materiaaleigenschappen ervan echter de ontwikkeling en popularisering van halfgeleidermaterialen van de tweede generatie in kostengevoelige markten beperkt.

De vertegenwoordigers van de derde generatie halfgeleiders omvatten voornamelijkgalliumnitride (GaN)Ensiliciumcarbide (SiC), en iedereen was de afgelopen twee jaar zeer bekend met deze twee materialen. SiC-substraten werden in 1987 op de markt gebracht door Cree (later omgedoopt tot Wolfspeed), maar pas met de toepassing van Tesla in de afgelopen jaren werd de grootschalige commercialisering van siliciumcarbide-apparaten echt gepromoot. Van hoofdaandrijvingen voor auto's tot fotovoltaïsche energieopslag en witte consumentenapparaten, siliciumcarbide is in ons dagelijks leven terechtgekomen. De toepassing van GaN is ook populair in onze dagelijkse mobiele telefoons en computeroplaadapparaten. Momenteel zijn de meeste GaN-apparaten <650V en worden ze veel gebruikt in de consumentensector. De kristalgroeisnelheid van SiC is erg langzaam (0,1-0,3 mm per uur) en het kristalgroeiproces stelt hoge technische eisen. Qua kosten en efficiëntie is het verre van vergelijkbaar met producten op siliciumbasis.

De halfgeleiders van de vierde generatie omvatten voornamelijkgalliumoxide (Ga2O3), diamant (Diamant), enaluminiumnitride (AlN). Onder hen is de moeilijkheid om het substraat van galliumoxide te bereiden lager dan die van diamant en aluminiumnitride, en de vooruitgang op het gebied van de commercialisering ervan is de snelste en meest veelbelovende. Vergeleken met Si en materialen van de derde generatie hebben de halfgeleidermaterialen van de vierde generatie hogere bandafstanden en doorslagveldsterkten, en kunnen ze vermogensapparaten voorzien van een hogere weerstandsspanning.

Een van de voordelen van galliumoxide ten opzichte van SiC is dat het enkele kristal ervan kan worden gekweekt via de vloeistoffasemethode, zoals de Czochralski-methode en de geleide-vormmethode van de traditionele productie van siliciumstaven. Beide methoden laden eerst hoogzuiver galliumoxidepoeder in een iridiumkroes en verwarmen deze om het poeder te smelten.

De Czochralski-methode gebruikt het entkristal om in contact te komen met het oppervlak van de smelt om de kristalgroei te starten. Tegelijkertijd wordt het entkristal geroteerd en wordt de entkristalstaaf langzaam opgetild om een ​​monokristallijne staaf met uniforme kristalstructuur te verkrijgen.

De geleide malmethode vereist dat een geleidemal (gemaakt van iridium of andere hittebestendige materialen) boven de smeltkroes wordt geïnstalleerd. Wanneer de geleidemal in de smelt wordt ondergedompeld, wordt de smelt door het sjabloon- en sifoneffect naar het bovenoppervlak van de mal aangetrokken. De smelt vormt onder invloed van oppervlaktespanning een dunne film en diffundeert naar de omgeving. Het entkristal wordt zo geplaatst dat het in contact komt met de smeltfilm, en de temperatuurgradiënt aan de bovenkant van de mal wordt geregeld om het eindvlak van het entkristal te laten kristalliseren tot een enkel kristal met dezelfde structuur als het entkristal. Vervolgens wordt het zaadkristal continu omhoog getild door het trekmechanisme. Het entkristal voltooit de bereiding van het gehele enkele kristal na schoudervrijgave en groei met gelijke diameter. De vorm en grootte van de bovenkant van de mal bepalen de vorm van de dwarsdoorsnede van het kristal dat is gegroeid met de geleide malmethode.