4. Nesil Yarı İletkenler Galyum Oksit/β-Ga2O3

Birinci nesil yarı iletken malzemeler esas olarak 1950'lerde yükselişe geçen silikon (Si) ve germanyum (Ge) ile temsil edilmektedir. İlk günlerde germanyum baskındı ve çoğunlukla düşük voltajlı, düşük frekanslı, orta güçlü transistörlerde ve fotodedektörlerde kullanıldı, ancak yüksek sıcaklık direnci ve radyasyon direncinin zayıf olması nedeniyle 1960'ların sonlarında yavaş yavaş yerini silikon cihazlar aldı. . Silikon, yüksek teknolojik olgunluğu ve maliyet avantajları nedeniyle mikroelektronik alanında halen ana yarı iletken malzemedir.

İkinci nesil yarı iletken malzemeler esas olarak yüksek performanslı mikrodalgalarda, milimetre dalgalarında, optoelektronikte, uydu iletişiminde ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılan galyum arsenit (GaAs) ve indiyum fosfit (InP) gibi bileşik yarı iletkenleri içerir. Ancak silikonla karşılaştırıldığında maliyeti, teknolojik olgunluğu ve malzeme özellikleri, maliyete duyarlı pazarlarda ikinci nesil yarı iletken malzemelerin gelişimini ve yaygınlaşmasını sınırladı.

Üçüncü nesil yarı iletkenlerin temsilcileri esas olarak şunları içerir:galyum nitrür (GaN)Vesilisyum karbür (SiC)ve son iki yılda herkes bu iki malzemeye çok aşina oldu. SiC substratları 1987 yılında Cree (daha sonra Wolfspeed olarak yeniden adlandırıldı) tarafından ticarileştirildi, ancak silisyum karbür cihazlarının büyük ölçekli ticarileştirilmesi Tesla'nın son yıllardaki uygulamasına kadar gerçek anlamda desteklenmedi. Otomotiv ana tahriklerinden fotovoltaik enerji depolamaya ve tüketici beyaz eşyalarına kadar silisyum karbür günlük hayatımıza girmiştir. GaN uygulaması günlük cep telefonlarımızda ve bilgisayar şarj cihazlarımızda da popülerdir. Şu anda çoğu GaN cihazı <650V'tur ve tüketici alanında yaygın olarak kullanılmaktadır. SiC'nin kristal büyüme hızı çok yavaştır (saatte 0,1-0,3 mm) ve kristal büyüme süreci yüksek teknik gereksinimlere sahiptir. Maliyet ve verimlilik açısından silikon bazlı ürünlerle kıyaslanamaz.

Dördüncü nesil yarı iletkenler esas olarak şunları içerir:galyum oksit (Ga2O3), elmas (Elmas) vealüminyum nitrür (AlN). Bunlar arasında, galyum oksit substratını hazırlamanın zorluğu, elmas ve alüminyum nitrürden daha düşüktür ve ticarileşme süreci en hızlı ve en umut verici olanıdır. Si ve üçüncü nesil malzemelerle karşılaştırıldığında dördüncü nesil yarı iletken malzemeler daha yüksek bant aralıklarına ve kırılma alanı kuvvetlerine sahiptir ve daha yüksek dayanım voltajına sahip güç cihazları sağlayabilir.

Galyum oksidin SiC'ye göre avantajlarından biri, tek kristalinin, Czochralski yöntemi ve geleneksel silikon çubuk üretimindeki kılavuzlu kalıp yöntemi gibi sıvı faz yöntemiyle büyütülebilmesidir. Her iki yöntem de ilk önce yüksek saflıkta galyum oksit tozunu bir iridyum potasına yükler ve tozu eritmek için onu ısıtır.

Czochralski yöntemi, kristal büyümesini başlatmak üzere eriyiğin yüzeyine temas etmek için tohum kristalini kullanır. Aynı zamanda, tohum kristali döndürülür ve tohum kristal çubuğu yavaşça kaldırılarak düzgün kristal yapıya sahip tek bir kristal çubuk elde edilir.

Kılavuzlu kalıp yöntemi, potanın üzerine bir kılavuz kalıbın (iridyumdan veya diğer yüksek sıcaklığa dayanıklı malzemelerden yapılmış) monte edilmesini gerektirir. Kılavuz kalıp eriyiğe daldırıldığında şablon ve sifon etkisi ile eriyik kalıbın üst yüzeyine çekilir. Eriyik, yüzey geriliminin etkisi altında ince bir film oluşturur ve çevreye yayılır. Tohum kristali eriyik filmle temas edecek şekilde yerleştirilir ve kalıbın tepesindeki sıcaklık gradyanı, tohum kristalinin uç yüzünün tohum kristaliyle aynı yapıya sahip tek bir kristal kristalleştirmesini sağlayacak şekilde kontrol edilir. Daha sonra tohum kristali çekme mekanizması tarafından sürekli olarak yukarı doğru kaldırılır. Tohum kristali, omuz serbest bırakıldıktan ve eşit çapta büyümeden sonra tek kristalin tamamının hazırlanmasını tamamlar. Kalıbın üst kısmının şekli ve boyutu, kılavuzlu kalıp yöntemiyle büyütülen kristalin kesit şeklini belirler.