4-ші буын жартылай өткізгіштер Галлий оксиді/β-Ga2O3

Жартылай өткізгіш материалдардың бірінші буыны негізінен кремний (Si) және германий (Ge) арқылы ұсынылған, олар 1950 жылдары көтеріле бастады. Германий алғашқы күндері басым болды және негізінен төмен вольтты, төмен жиілікті, орташа қуатты транзисторлар мен фотодетекторларда қолданылды, бірақ оның жоғары температураға төзімділігі мен радиацияға төзімділігі нашар болғандықтан, ол 1960 жылдардың аяғында біртіндеп кремний құрылғыларымен ауыстырылды. . Кремний әлі күнге дейін өзінің жоғары технологиялық жетілуіне және құндық артықшылықтарына байланысты микроэлектроника саласындағы негізгі жартылай өткізгіш материал болып табылады.

Жартылай өткізгіш материалдардың екінші буынына негізінен жоғары өнімді микротолқынды пештерде, миллиметрлік толқындарда, оптоэлектроникада, спутниктік байланыста және басқа салаларда кеңінен қолданылатын галлий арсениді (GaAs) және индий фосфиді (InP) сияқты құрама жартылай өткізгіштер жатады. Дегенмен, кремниймен салыстырғанда, оның құны, технологиялық жетілу және материал қасиеттері екінші буын жартылай өткізгіш материалдардың дамуы мен танымалдылығын шығындарға сезімтал нарықтарда шектеді.

Жартылай өткізгіштердің үшінші буынының өкілдеріне негізінен жатадыгалий нитриді (GaN)жәнекремний карбиді (SiC), және соңғы екі жылда барлығы осы екі материалмен жақсы таныс болды. SiC субстраттарын 1987 жылы Cree (кейінірек Wolfspeed деп өзгертілді) коммерцияландырды, бірақ соңғы жылдары Тесла қолдануына дейін кремний карбиді құрылғыларының кең ауқымды коммерциялануы шынымен алға жылжыды. Автокөліктің негізгі дискілерінен фотоэлектрлік энергияны сақтауға дейін тұтынушылардың ақ құрылғыларына дейін кремний карбиді біздің күнделікті өмірімізге енді. GaN қосымшасы біздің күнделікті ұялы телефондарымызда және компьютерді зарядтау құрылғыларында да танымал. Қазіргі уақытта GaN құрылғыларының көпшілігі <650В және тұтынушылық саласында кеңінен қолданылады. SiC кристалының өсу жылдамдығы өте баяу (сағ. 0,1-0,3 мм), ал кристалдардың өсу процесі жоғары техникалық талаптарға ие. Құны мен тиімділігі жағынан ол кремний негізіндегі өнімдермен салыстыруға келмейді.

Төртінші буындағы жартылай өткізгіштерге негізінен жатадыгалий оксиді (Ga2O3), алмаз (Гауһар) жәнеалюминий нитриді (AlN). Олардың ішінде галлий оксидінің субстратын дайындаудың қиындығы алмас пен алюминий нитридіне қарағанда төмен және оны коммерцияландыру прогрессі ең жылдам және ең перспективалы болып табылады. Si және үшінші буындағы материалдармен салыстырғанда төртінші буындағы жартылай өткізгіш материалдар жолақ саңылаулары мен бұзылу өрісінің күштілігіне ие және қуат құрылғыларын жоғары төзімді кернеумен қамтамасыз ете алады.

Галий оксидінің SiC-тен артықшылығының бірі оның монокристалын сұйық фазалық әдіспен өсіруге болады, мысалы, Чохральский әдісі және дәстүрлі кремний таяқшаларын өндірудің басқарылатын қалып әдісі. Екі әдіс те алдымен иридий тигельіне жоғары таза галий оксиді ұнтағын салып, ұнтақты еріту үшін оны қыздырады.

Цочральски әдісі кристалдық өсуді бастау үшін балқыманың бетімен байланысу үшін тұқымдық кристалды пайдаланады. Бұл ретте тұқымдық кристалды айналдырып, тұқымдық кристалды өзекше баяу көтеріліп, біркелкі кристалдық құрылымы бар бір кристалды таяқша алынады.

Бағытталатын қалып әдісі тигельдің үстіне бағыттаушы қалыпты (иридийден немесе басқа жоғары температураға төзімді материалдардан жасалған) орнатуды талап етеді. Бағыттаушы қалып балқымаға батырылған кезде, балқыма қалып пен сифон әсерімен қалыптың жоғарғы бетіне тартылады. Балқыма беттік керілу әсерінен жұқа қабықша түзіп, айналаға таралады. Тұқымдық кристал балқыма пленкасымен байланыста болу үшін төмен орналастырылады, ал пішіннің жоғарғы жағындағы температура градиенті тұқымдық кристалдың соңғы беті тұқым кристалымен бірдей құрылымды бір кристалды кристалдануы үшін бақыланады. Содан кейін тұқым кристалы тарту механизмі арқылы үздіксіз жоғары көтеріледі. Тұқымдық кристал иық босатылғаннан кейін және диаметрі бірдей өскеннен кейін бүкіл монокристалды дайындауды аяқтайды. Қалыптың үстіңгі бөлігінің пішіні мен өлшемі жетекші қалып әдісімен өсірілген кристалдың көлденең қимасының пішінін анықтайды.