Chất bán dẫn thế hệ thứ 4 Gallium Oxide/β-Ga2O3

Thế hệ vật liệu bán dẫn đầu tiên chủ yếu được đại diện bởi silicon (Si) và germanium (Ge), bắt đầu phát triển vào những năm 1950. Germanium chiếm ưu thế trong những ngày đầu và chủ yếu được sử dụng trong các bóng bán dẫn và bộ tách sóng quang điện áp thấp, tần số thấp, công suất trung bình, nhưng do khả năng chịu nhiệt độ cao và khả năng chống bức xạ kém nên nó dần được thay thế bằng các thiết bị silicon vào cuối những năm 1960. . Silicon vẫn là vật liệu bán dẫn chính trong lĩnh vực vi điện tử do có độ trưởng thành công nghệ cao và lợi thế về chi phí.

Thế hệ vật liệu bán dẫn thứ hai chủ yếu bao gồm các chất bán dẫn hỗn hợp như gallium arsenide (GaAs) và indium phosphide (InP), được sử dụng rộng rãi trong vi sóng hiệu suất cao, sóng milimet, quang điện tử, truyền thông vệ tinh và các lĩnh vực khác. Tuy nhiên, so với silicon, giá thành, sự trưởng thành về công nghệ và tính chất vật liệu của nó đã hạn chế sự phát triển và phổ biến vật liệu bán dẫn thế hệ thứ hai tại các thị trường nhạy cảm về chi phí.

Đại diện của thế hệ bán dẫn thứ ba chủ yếu bao gồmgali nitrua (GaN)Vàcacbua silic (SiC), và mọi người đã rất quen thuộc với hai tài liệu này trong hai năm qua. Chất nền SiC đã được Cree (sau đổi tên thành Wolfspeed) thương mại hóa vào năm 1987, nhưng phải đến khi ứng dụng của Tesla trong những năm gần đây, việc thương mại hóa quy mô lớn các thiết bị cacbua silic mới thực sự được thúc đẩy. Từ bộ truyền động chính của ô tô đến bộ lưu trữ năng lượng quang điện cho đến các thiết bị điện tử tiêu dùng, cacbua silic đã đi vào cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Ứng dụng của GaN cũng phổ biến trên điện thoại di động và thiết bị sạc máy tính hàng ngày của chúng ta. Hiện nay, hầu hết các thiết bị GaN đều có công suất <650V và được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực tiêu dùng. Tốc độ phát triển tinh thể của SiC rất chậm (0,1-0,3mm mỗi giờ) và quá trình phát triển tinh thể có yêu cầu kỹ thuật cao. Về mặt chi phí và hiệu quả, nó không thể so sánh được với các sản phẩm làm từ silicon.

Chất bán dẫn thế hệ thứ tư chủ yếu bao gồmgali oxit (Ga2O3), kim cương (Diamond) vànhôm nitrat (AlN). Trong số đó, độ khó trong việc chuẩn bị chất nền của oxit gali thấp hơn so với kim cương và nhôm nitrit, và tiến độ thương mại hóa của nó là nhanh nhất và hứa hẹn nhất. So với Si và vật liệu thế hệ thứ ba, vật liệu bán dẫn thế hệ thứ tư có khoảng cách dải tần và cường độ trường đánh thủng cao hơn, đồng thời có thể cung cấp cho các thiết bị nguồn điện áp chịu được cao hơn.

Một trong những ưu điểm của gali oxit so với SiC là tinh thể đơn của nó có thể được phát triển bằng phương pháp pha lỏng, chẳng hạn như phương pháp Czochralski và phương pháp khuôn dẫn hướng trong sản xuất thanh silicon truyền thống. Cả hai phương pháp trước tiên đều nạp bột gali oxit có độ tinh khiết cao vào nồi nấu kim loại iridium và đun nóng để làm tan chảy bột.

Phương pháp Czochralski sử dụng tinh thể hạt tiếp xúc với bề mặt tan chảy để bắt đầu phát triển tinh thể. Đồng thời, tinh thể hạt được quay và thanh tinh thể hạt được nâng lên từ từ để thu được một thanh tinh thể đơn có cấu trúc tinh thể đồng nhất.

Phương pháp khuôn dẫn hướng yêu cầu khuôn dẫn hướng (làm bằng iridium hoặc các vật liệu chịu nhiệt độ cao khác) được lắp đặt phía trên nồi nấu kim loại. Khi khuôn dẫn hướng được ngâm trong chất tan chảy, chất tan chảy sẽ bị hút vào bề mặt trên của khuôn nhờ hiệu ứng khuôn và siphon. Sự tan chảy tạo thành một màng mỏng dưới tác dụng của sức căng bề mặt và khuếch tán ra môi trường xung quanh. Tinh thể hạt được đặt xuống để tiếp xúc với màng nóng chảy và độ dốc nhiệt độ ở đỉnh khuôn được kiểm soát để làm cho mặt cuối của tinh thể hạt kết tinh thành một tinh thể duy nhất có cấu trúc giống như tinh thể hạt. Sau đó tinh thể hạt liên tục được nâng lên trên nhờ cơ chế kéo. Tinh thể hạt hoàn thành việc chuẩn bị toàn bộ tinh thể đơn sau khi giải phóng vai và tăng trưởng đường kính bằng nhau. Hình dạng và kích thước của mặt trên của khuôn xác định hình dạng mặt cắt ngang của tinh thể được tạo ra bằng phương pháp khuôn dẫn hướng.