เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่ 4 แกลเลียมออกไซด์/β-Ga2O3

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ยุคแรกส่วนใหญ่จะประกอบด้วยซิลิคอน (Si) และเจอร์เมเนียม (Ge) ซึ่งเริ่มมีเพิ่มขึ้นในทศวรรษปี 1950 เจอร์เมเนียมมีความโดดเด่นในสมัยแรกๆ และส่วนใหญ่ใช้ในทรานซิสเตอร์และเครื่องตรวจจับแสงที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำ ความถี่ต่ำ และกำลังปานกลาง แต่เนื่องจากทนทานต่ออุณหภูมิสูงและต้านทานรังสีได้ไม่ดี จึงค่อยๆ ถูกแทนที่ด้วยอุปกรณ์ซิลิคอนในช่วงปลายทศวรรษ 1960 . ซิลิคอนยังคงเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์หลักในสาขาไมโครอิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากมีความได้เปรียบด้านเทคโนโลยีสูงและมีความได้เปรียบด้านต้นทุน

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สองส่วนใหญ่ประกอบด้วยเซมิคอนดักเตอร์ผสม เช่น แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) และอินเดียมฟอสไฟด์ (InP) ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในไมโครเวฟประสิทธิภาพสูง คลื่นมิลลิเมตร ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ การสื่อสารผ่านดาวเทียม และสาขาอื่นๆ อย่างไรก็ตาม เมื่อเปรียบเทียบกับซิลิคอนแล้ว ต้นทุน ความสมบูรณ์ทางเทคโนโลยี และคุณสมบัติของวัสดุได้จำกัดการพัฒนาและการแพร่หลายของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สองในตลาดที่คำนึงถึงต้นทุน

ตัวแทนของเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามส่วนใหญ่ประกอบด้วยแกลเลียมไนไตรด์ (GaN)และซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)และทุกคนก็คุ้นเคยกับสื่อทั้งสองนี้เป็นอย่างดีในช่วงสองปีที่ผ่านมา พื้นผิว SiC ถูกจำหน่ายโดย Cree (ภายหลังเปลี่ยนชื่อเป็น Wolfspeed) ในปี 1987 แต่จนกระทั่งแอปพลิเคชันของ Tesla ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา จึงมีการส่งเสริมการค้าอุปกรณ์ซิลิคอนคาร์ไบด์ในเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่อย่างแท้จริง ตั้งแต่ตัวขับเคลื่อนหลักของยานยนต์ไปจนถึงการจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ไปจนถึงเครื่องใช้ไฟฟ้าสีขาวสำหรับผู้บริโภค ซิลิคอนคาร์ไบด์ได้เข้ามาในชีวิตประจำวันของเรา แอปพลิเคชัน GaN ยังได้รับความนิยมในโทรศัพท์มือถือและอุปกรณ์ชาร์จคอมพิวเตอร์ทุกวัน ปัจจุบันอุปกรณ์ GaN ส่วนใหญ่มีค่า <650V และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านผู้บริโภค ความเร็วการเติบโตของผลึกของ SiC ช้ามาก (0.1-0.3 มม. ต่อชั่วโมง) และกระบวนการการเติบโตของคริสตัลนั้นมีข้อกำหนดทางเทคนิคสูง ในแง่ของต้นทุนและประสิทธิภาพ ยังห่างไกลจากการเทียบเคียงกับผลิตภัณฑ์ที่ใช้ซิลิคอน

เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สี่ส่วนใหญ่ประกอบด้วยแกลเลียมออกไซด์ (Ga2O3), เพชร (เพชร) และอะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN)- ในหมู่พวกเขา ความยากในการเตรียมสารตั้งต้นของแกลเลียมออกไซด์นั้นต่ำกว่าของเพชรและอะลูมิเนียมไนไตรด์ และความคืบหน้าในเชิงพาณิชย์นั้นรวดเร็วและมีแนวโน้มมากที่สุด เมื่อเปรียบเทียบกับ Si และวัสดุรุ่นที่สาม วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สี่มีช่องว่างของแถบความถี่ที่สูงกว่าและความแรงของสนามไฟฟ้าที่พังทลาย และสามารถจัดหาอุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าได้

ข้อดีประการหนึ่งของแกลเลียมออกไซด์ที่เหนือกว่า SiC ก็คือผลึกเดี่ยวของผลึกเดี่ยวสามารถเติบโตได้โดยวิธีเฟสของเหลว เช่น วิธี Czochralski และวิธีการแม่พิมพ์นำของการผลิตแท่งซิลิคอนแบบดั้งเดิม ทั้งสองวิธีใส่ผงแกลเลียมออกไซด์ที่มีความบริสุทธิ์สูงลงในเบ้าหลอมอิริเดียมก่อน และให้ความร้อนเพื่อให้ผงละลาย

วิธี Czochralski ใช้ผลึกเมล็ดพืชเพื่อสัมผัสกับพื้นผิวของของเหลวที่หลอมละลายเพื่อเริ่มการเติบโตของผลึก ในเวลาเดียวกัน ผลึกเมล็ดจะถูกหมุน และแท่งคริสตัลของเมล็ดจะถูกยกขึ้นอย่างช้าๆ เพื่อให้ได้แท่งคริสตัลเดี่ยวที่มีโครงสร้างผลึกสม่ำเสมอ

วิธีการทำแม่พิมพ์นำนั้นต้องใช้แม่พิมพ์นำ (ที่ทำจากอิริเดียมหรือวัสดุทนอุณหภูมิสูงอื่นๆ) ที่จะติดตั้งไว้เหนือเบ้าหลอม เมื่อแม่พิมพ์นำถูกจุ่มลงในของเหลวที่หลอมเหลว สารที่หลอมละลายจะถูกดึงดูดไปที่พื้นผิวด้านบนของแม่พิมพ์ด้วยเทมเพลตและเอฟเฟ็กต์กาลักน้ำ สารที่หลอมละลายจะสร้างฟิล์มบางๆ ภายใต้การกระทำของแรงตึงผิวและกระจายออกสู่สิ่งแวดล้อม วางผลึกเมล็ดลงไปเพื่อสัมผัสกับฟิล์มหลอมเหลว และควบคุมการไล่ระดับอุณหภูมิที่ด้านบนของแม่พิมพ์เพื่อทำให้ด้านท้ายของผลึกเมล็ดตกผลึกเป็นผลึกเดี่ยวที่มีโครงสร้างเดียวกันกับผลึกเมล็ด จากนั้นผลึกเมล็ดจะถูกยกขึ้นอย่างต่อเนื่องโดยกลไกการดึง ผลึกเมล็ดจะทำให้การเตรียมผลึกเดี่ยวทั้งหมดเสร็จสิ้นหลังจากการคลายบ่าและการเติบโตของเส้นผ่านศูนย์กลางที่เท่ากัน รูปร่างและขนาดของด้านบนของแม่พิมพ์จะเป็นตัวกำหนดรูปร่างหน้าตัดของคริสตัลที่ปลูกโดยวิธีแม่พิมพ์แบบมีไกด์