Semikonduktor Generasi Ke-4 Gallium Oxide/β-Ga2O3

Bahan semikonduktor generasi pertama diwakili terutamanya oleh silikon (Si) dan germanium (Ge), yang mula meningkat pada tahun 1950-an. Germanium adalah dominan pada hari-hari awal dan digunakan terutamanya dalam transistor dan photodetector voltan rendah, frekuensi rendah, kuasa sederhana, tetapi disebabkan oleh rintangan suhu tinggi dan rintangan sinaran yang lemah, ia secara beransur-ansur digantikan oleh peranti silikon pada akhir 1960-an . Silikon masih menjadi bahan semikonduktor utama dalam bidang mikroelektronik kerana kematangan teknologi tinggi dan kelebihan kos.

Bahan semikonduktor generasi kedua terutamanya termasuk semikonduktor kompaun seperti gallium arsenide (GaAs) dan indium phosphide (InP), yang digunakan secara meluas dalam gelombang mikro berprestasi tinggi, gelombang milimeter, optoelektronik, komunikasi satelit dan bidang lain. Walau bagaimanapun, berbanding dengan silikon, kosnya, kematangan teknologi, dan sifat bahan telah mengehadkan pembangunan dan mempopularkan bahan semikonduktor generasi kedua dalam pasaran sensitif kos.

Wakil-wakil generasi ketiga semikonduktor terutamanya termasukgalium nitrida (GaN)dansilikon karbida (SiC), dan semua orang telah mengenali kedua-dua bahan ini dalam tempoh dua tahun yang lalu. Substrat SiC telah dikomersialkan oleh Cree (kemudian dinamakan semula Wolfspeed) pada tahun 1987, tetapi tidak sampai aplikasi Tesla dalam beberapa tahun kebelakangan ini bahawa pengkomersilan besar-besaran peranti silikon karbida benar-benar dipromosikan. Daripada pemacu utama automotif kepada storan tenaga fotovoltaik kepada peralatan putih pengguna, silikon karbida telah memasuki kehidupan seharian kita. Aplikasi GaN juga popular dalam telefon mudah alih harian kami dan peranti pengecasan komputer. Pada masa ini, kebanyakan peranti GaN adalah <650V dan digunakan secara meluas dalam bidang pengguna. Kelajuan pertumbuhan kristal SiC sangat perlahan (0.1-0.3mm sejam), dan proses pertumbuhan kristal mempunyai keperluan teknikal yang tinggi. Dari segi kos dan kecekapan, ia jauh dari setanding dengan produk berasaskan silikon.

Semikonduktor generasi keempat terutamanya termasukgalium oksida (Ga2O3), berlian (Berlian), danaluminium nitrida (AlN). Antaranya, kesukaran menyediakan substrat galium oksida adalah lebih rendah daripada berlian dan aluminium nitrida, dan kemajuan pengkomersilannya adalah yang paling cepat dan paling menjanjikan. Berbanding dengan bahan Si dan generasi ketiga, bahan semikonduktor generasi keempat mempunyai jurang jalur yang lebih tinggi dan kekuatan medan pecahan, dan boleh menyediakan peranti kuasa dengan voltan tahan yang lebih tinggi.

Salah satu kelebihan galium oksida berbanding SiC ialah kristal tunggalnya boleh ditanam dengan kaedah fasa cecair, seperti kaedah Czochralski dan kaedah acuan berpandu pengeluaran rod silikon tradisional. Kedua-dua kaedah mula-mula memuatkan serbuk galium oksida ketulenan tinggi ke dalam mangkuk pijar iridium dan memanaskannya untuk mencairkan serbuk.

Kaedah Czochralski menggunakan kristal benih untuk menghubungi permukaan cair untuk memulakan pertumbuhan kristal. Pada masa yang sama, hablur benih dipusingkan dan batang hablur benih diangkat perlahan-lahan untuk mendapatkan batang kristal tunggal dengan struktur kristal seragam.

Kaedah acuan berpandu memerlukan acuan panduan (diperbuat daripada iridium atau bahan tahan suhu tinggi yang lain) untuk dipasang di atas pijar. Apabila acuan panduan direndam dalam leburan, leburan tertarik ke permukaan atas acuan oleh kesan templat dan sifon. Leburan membentuk filem nipis di bawah tindakan tegangan permukaan dan meresap ke persekitaran. Kristal benih diletakkan ke bawah untuk menghubungi filem cair, dan kecerunan suhu di bahagian atas acuan dikawal untuk menjadikan muka akhir benih menghablurkan kristal tunggal dengan struktur yang sama dengan kristal benih. Kemudian kristal benih terus diangkat ke atas dengan mekanisme penarikan. Kristal benih melengkapkan penyediaan keseluruhan kristal tunggal selepas pelepasan bahu dan pertumbuhan diameter yang sama. Bentuk dan saiz bahagian atas acuan menentukan bentuk keratan rentas kristal yang ditanam dengan kaedah acuan berpandu.