4. sukupolven puolijohteet galliumoksidi/β-Ga2O3

Ensimmäisen sukupolven puolijohdemateriaaleja edustavat pääasiassa pii (Si) ja germanium (Ge), jotka alkoivat lisääntyä 1950-luvulla. Germanium oli vallitseva alkuaikoina ja sitä käytettiin pääasiassa pienjännite-, matalataajuisissa, keskitehoisissa transistoreissa ja valoilmaisimissa, mutta huonon korkean lämpötilan ja säteilynkestävyyden vuoksi se korvattiin vähitellen piilaitteilla 1960-luvun lopulla. . Pii on edelleen tärkein puolijohdemateriaali mikroelektroniikan alalla korkean teknologisen kypsyytensä ja kustannusetujensa vuoksi.

Toisen sukupolven puolijohdemateriaalit sisältävät pääasiassa yhdistelmäpuolijohteita, kuten galliumarsenidi (GaAs) ja indiumfosfidi (InP), joita käytetään laajasti korkean suorituskyvyn mikroaalloissa, millimetriaalloissa, optoelektroniikassa, satelliittiviestinnässä ja muilla aloilla. Piiin verrattuna sen hinta, teknologinen kypsyys ja materiaaliominaisuudet ovat kuitenkin rajoittaneet toisen sukupolven puolijohdemateriaalien kehitystä ja suosimista kustannusherkillä markkinoilla.

Kolmannen sukupolven puolijohteiden edustajia ovat pääasiassagalliumnitridi (GaN)japiikarbidi (SiC), ja kaikki ovat olleet hyvin tuttuja nämä kaksi materiaalia viimeisen kahden vuoden aikana. Cree (myöhemmin nimeltään Wolfspeed) kaupallisti piikarbidi-substraatit vuonna 1987, mutta vasta Teslan viime vuosien hakemuksella edistettiin piikarbidilaitteiden laajamittaista kaupallistamista. Piikarbidi on tullut jokapäiväiseen elämäämme aina autojen pääkäytöstä aurinkosähköenergian varastointiin ja valkoisiin kuluttajalaitteisiin. GaN-sovellus on suosittu myös päivittäisissä matkapuhelimissamme ja tietokoneiden latauslaitteissamme. Tällä hetkellä useimmat GaN-laitteet ovat alle 650 V ja niitä käytetään laajasti kuluttaja-alalla. SiC:n kiteiden kasvunopeus on erittäin hidas (0,1-0,3 mm tunnissa), ja kiteen kasvuprosessilla on korkeat tekniset vaatimukset. Kustannusten ja tehokkuuden suhteen se ei ole läheskään verrattavissa piipohjaisiin tuotteisiin.

Neljännen sukupolven puolijohteet sisältävät pääasiassagalliumoksidi (Ga2O3), timantti (Timantti) jaalumiininitridi (AlN). Niistä galliumoksidin alustan valmistuksen vaikeus on alhaisempi kuin timantin ja alumiininitridin, ja sen kaupallistaminen on nopeinta ja lupaavinta. Verrattuna Si- ja kolmannen sukupolven materiaaleihin neljännen sukupolven puolijohdemateriaalien kaistavälit ja läpilyöntikenttävoimakkuudet ovat suuremmat, ja ne voivat tarjota teholaitteita, joilla on korkeampi kestojännite.

Yksi galliumoksidin eduista piikarbidiin verrattuna on, että sen yksikidettä voidaan kasvattaa nestefaasimenetelmällä, kuten Czochralski-menetelmällä ja perinteisen piisauvan valmistuksen ohjatulla muottimenetelmällä. Molemmat menetelmät lataavat ensin erittäin puhdasta galliumoksidijauhetta iridiumupokkaaseen ja lämmittävät sitä jauheen sulattamiseksi.

Czochralskin menetelmä käyttää siemenkitettä koskettamaan sulatteen pintaa kiteen kasvun aloittamiseksi. Samanaikaisesti siemenkidettä pyöritetään ja siemenkidesauvaa nostetaan hitaasti, jotta saadaan yksikidesauva, jolla on yhtenäinen kiderakenne.

Ohjattu muottimenetelmä edellyttää, että upokkaan yläpuolelle asennetaan ohjausmuotti (valmistettu iridiumista tai muista korkeita lämpötiloja kestävistä materiaaleista). Kun ohjausmuotti upotetaan sulatteeseen, malli ja sifoni-ilmiö houkuttelevat sulatetta muotin yläpintaan. Sula muodostaa pintajännityksen vaikutuksesta ohuen kalvon ja leviää ympäristöön. Siemenkide asetetaan alas koskettamaan sulakalvoa, ja muotin yläosassa olevaa lämpötilagradienttia ohjataan niin, että siemenkiteen päätypinta kiteytyy yksittäiskiteeksi, jolla on sama rakenne kuin siemenkiteellä. Sitten siemenkidettä nostetaan jatkuvasti ylöspäin vetomekanismin avulla. Siemenkide viimeistelee koko yksittäiskiteen valmistuksen olkapään irrotuksen ja saman halkaisijan kasvun jälkeen. Muotin yläosan muoto ja koko määräävät ohjatulla muottimenetelmällä kasvatetun kiteen poikkileikkauksen muodon.