4-cü Nəsil Yarımkeçiricilər Qallium Oksidi/β-Ga2O3

Yarımkeçirici materialların birinci nəsli əsasən 1950-ci illərdə yüksəlməyə başlayan silikon (Si) və germanium (Ge) ilə təmsil olunur. Germanium ilk dövrlərdə dominant idi və əsasən aşağı gərginlikli, aşağı tezlikli, orta güclü tranzistorlarda və fotodetektorlarda istifadə olunurdu, lakin yüksək temperatur və radiasiya müqavimətinin zəif olması səbəbindən 1960-cı illərin sonlarında tədricən silisium cihazları ilə əvəz edilmişdir. . Silikon yüksək texnoloji yetkinliyə və qiymət üstünlüklərinə görə hələ də mikroelektronika sahəsində əsas yarımkeçirici materialdır.

Yarımkeçirici materialların ikinci nəslinə əsasən yüksək performanslı mikrodalğalı sobalarda, millimetr dalğalarında, optoelektronikada, peyk rabitəsində və digər sahələrdə geniş istifadə olunan qallium arsenid (GaAs) və indium fosfid (InP) kimi mürəkkəb yarımkeçiricilər daxildir. Bununla belə, silikonla müqayisədə onun dəyəri, texnoloji yetkinliyi və material xassələri qiymətə həssas bazarlarda ikinci nəsil yarımkeçirici materialların inkişafını və populyarlaşmasını məhdudlaşdırmışdır.

Üçüncü nəsil yarımkeçiricilərin nümayəndələrinə əsasən daxildirqallium nitridi (GaN)vəsilisium karbid (SiC), və hər kəs son iki ildə bu iki materialla çox tanış olub. SiC substratları 1987-ci ildə Cree (sonradan Wolfspeed adlandırıldı) tərəfindən kommersiyalaşdırıldı, lakin son illərdə Teslanın tətbiqinə qədər silisium karbid cihazlarının geniş miqyaslı kommersiyalaşdırılması həqiqətən təşviq edilmədi. Avtomobil əsas sürücülərindən tutmuş fotovoltaik enerjinin saxlanmasına qədər istehlakçı ağ cihazlarına qədər, silikon karbid gündəlik həyatımıza daxil oldu. GaN tətbiqi gündəlik cib telefonlarımızda və kompüter doldurma cihazlarımızda da populyardır. Hal-hazırda, GaN cihazlarının əksəriyyəti <650V-dir və istehlakçı sahəsində geniş istifadə olunur. SiC-nin kristal böyümə sürəti çox yavaşdır (saatda 0,1-0,3 mm) və kristal böyümə prosesi yüksək texniki tələblərə malikdir. Xərc və səmərəlilik baxımından silikon əsaslı məhsullarla müqayisə oluna bilməz.

Dördüncü nəsil yarımkeçiricilər əsasən daxildirqalium oksidi (Ga2O3), almaz (Almaz) vəalüminium nitridi (AlN). Onların arasında qallium oksidinin substratının hazırlanmasının çətinliyi almaz və alüminium nitridinkindən daha aşağıdır və onun kommersiyalaşdırılması tərəqqisi ən sürətli və ən perspektivlidir. Si və üçüncü nəsil materiallarla müqayisədə dördüncü nəsil yarımkeçirici materiallar daha yüksək zolaq boşluqlarına və qırılma sahəsinin güclərinə malikdir və daha yüksək dayanıqlı gərginliklə güc cihazlarını təmin edə bilir.

Qallium oksidinin SiC-dən üstün cəhətlərindən biri onun monokristalının Czochralski üsulu və ənənəvi silikon çubuq istehsalının idarə olunan qəlib üsulu kimi maye faza üsulu ilə yetişdirilə bilməsidir. Hər iki üsul əvvəlcə iridium qabına yüksək saflıqda qallium oksid tozunu yükləyin və tozu əritmək üçün onu qızdırın.

Czochralski metodu, kristal böyüməsinə başlamaq üçün ərimənin səthi ilə əlaqə saxlamaq üçün toxum kristalından istifadə edir. Eyni zamanda, toxum kristalı fırlanır və vahid kristal quruluşlu tək kristal çubuq əldə etmək üçün toxum kristal çubuğu yavaş-yavaş qaldırılır.

Rəhbər edilmiş qəlib üsulu, tigelin üstündə bələdçi qəlibin (iridium və ya digər yüksək temperatura davamlı materiallardan hazırlanmış) quraşdırılmasını tələb edir. Bələdçi qəlib əriməyə batırıldıqda, ərimə şablon və sifon effekti ilə kalıbın yuxarı səthinə çəkilir. Ərinmə səthi gərginliyin təsiri altında nazik bir təbəqə əmələ gətirir və ətrafa yayılır. Toxum kristalı ərimə filmi ilə təmasda olmaq üçün aşağı yerləşdirilir və toxum kristalının son üzünün toxum kristalı ilə eyni quruluşa malik tək kristal kristallaşması üçün kalıbın yuxarı hissəsindəki temperatur gradienti idarə olunur. Sonra toxum kristalı çəkmə mexanizmi ilə davamlı olaraq yuxarı qaldırılır. Toxum kristalı çiyin sərbəst buraxıldıqdan və bərabər diametrli böyümədən sonra bütün tək kristalın hazırlanmasını tamamlayır. Kalıbın yuxarı hissəsinin forması və ölçüsü idarə olunan qəlib üsulu ilə yetişdirilən kristalın kəsik formasını müəyyən edir.