4थी जनरेशन सेमीकंडक्टर गॅलियम ऑक्साइड/β-Ga2O3

सेमीकंडक्टर सामग्रीची पहिली पिढी प्रामुख्याने सिलिकॉन (Si) आणि जर्मेनियम (Ge) द्वारे दर्शविली जाते, जी 1950 च्या दशकात वाढू लागली. सुरुवातीच्या काळात जर्मेनियमचे वर्चस्व होते आणि ते मुख्यत्वे कमी-व्होल्टेज, कमी-फ्रिक्वेंसी, मध्यम-पॉवर ट्रान्झिस्टर आणि फोटोडिटेक्टर्समध्ये वापरले जात होते, परंतु त्याच्या खराब उच्च तापमान प्रतिकार आणि रेडिएशन प्रतिरोधकतेमुळे, 1960 च्या उत्तरार्धात ते हळूहळू सिलिकॉन उपकरणांनी बदलले. . उच्च तांत्रिक परिपक्वता आणि किमतीच्या फायद्यांमुळे सिलिकॉन हे मायक्रोइलेक्ट्रॉनिक क्षेत्रातील मुख्य सेमीकंडक्टर सामग्री आहे.

सेमीकंडक्टर सामग्रीच्या दुसऱ्या पिढीमध्ये प्रामुख्याने गॅलियम आर्सेनाइड (GaAs) आणि इंडियम फॉस्फाइड (InP) सारख्या कंपाऊंड सेमीकंडक्टरचा समावेश होतो, जे उच्च-कार्यक्षमता मायक्रोवेव्ह, मिलीमीटर लहरी, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स, उपग्रह संप्रेषण आणि इतर क्षेत्रांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरले जातात. तथापि, सिलिकॉनच्या तुलनेत, त्याची किंमत, तांत्रिक परिपक्वता आणि भौतिक गुणधर्मांमुळे किंमत-संवेदनशील बाजारपेठांमध्ये द्वितीय-पिढीतील अर्धसंवाहक सामग्रीचा विकास आणि लोकप्रियता मर्यादित आहे.

अर्धसंवाहकांच्या तिसऱ्या पिढीच्या प्रतिनिधींमध्ये प्रामुख्याने समावेश होतोगॅलियम नायट्राइड (GaN)आणिसिलिकॉन कार्बाइड (SiC), आणि प्रत्येकजण गेल्या दोन वर्षांत या दोन सामग्रीशी परिचित आहे. 1987 मध्ये क्री (नंतर वोल्फस्पीडचे नाव बदलले) द्वारे SiC सबस्ट्रेट्सचे व्यावसायिकीकरण केले गेले, परंतु अलीकडच्या वर्षांत टेस्लाच्या अनुप्रयोगापर्यंत सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणांच्या मोठ्या प्रमाणावर व्यापारीकरणाला खऱ्या अर्थाने प्रोत्साहन दिले गेले नाही. ऑटोमोटिव्ह मेन ड्राईव्हपासून ते फोटोव्होल्टेइक एनर्जी स्टोरेजपर्यंत ग्राहकांच्या पांढऱ्या उपकरणांपर्यंत, सिलिकॉन कार्बाइडने आपल्या दैनंदिन जीवनात प्रवेश केला आहे. आमच्या दैनंदिन मोबाईल फोन आणि संगणक चार्जिंग उपकरणांमध्येही GaN चे ऍप्लिकेशन लोकप्रिय आहे. सध्या, बहुतेक GaN उपकरणे <650V आहेत आणि ग्राहक क्षेत्रात मोठ्या प्रमाणावर वापरली जातात. SiC ची क्रिस्टल वाढीची गती खूप मंद आहे (0.1-0.3 मिमी प्रति तास), आणि क्रिस्टल वाढीच्या प्रक्रियेसाठी उच्च तांत्रिक आवश्यकता आहेत. किंमत आणि कार्यक्षमतेच्या बाबतीत, ते सिलिकॉन-आधारित उत्पादनांशी तुलना करण्यायोग्य नाही.

चौथ्या पिढीतील अर्धसंवाहकांचा प्रामुख्याने समावेश होतोगॅलियम ऑक्साईड (Ga2O3), डायमंड (डायमंड), आणिॲल्युमिनियम नायट्राइड (AlN). त्यापैकी, गॅलियम ऑक्साईडचा थर तयार करण्यात अडचण डायमंड आणि ॲल्युमिनियम नायट्राइडच्या तुलनेत कमी आहे आणि त्याचे व्यापारीकरण सर्वात वेगवान आणि सर्वात आशादायक आहे. Si आणि थर्ड-जनरेशन मटेरिअलच्या तुलनेत, चौथ्या पिढीतील सेमीकंडक्टर मटेरियलमध्ये बँड गॅप आणि ब्रेकडाउन फील्ड ताकद जास्त असते आणि ते जास्त व्होल्टेजसह पॉवर डिव्हाइसेस प्रदान करू शकतात.

SiC वर गॅलियम ऑक्साईडचा एक फायदा असा आहे की त्याचे सिंगल क्रिस्टल लिक्विड फेज पद्धतीने वाढवले ​​जाऊ शकते, जसे की झोक्राल्स्की पद्धत आणि पारंपारिक सिलिकॉन रॉड उत्पादनाची मार्गदर्शित मोल्ड पद्धत. दोन्ही पद्धती प्रथम उच्च-शुद्धता गॅलियम ऑक्साईड पावडर इरिडियम क्रूसिबलमध्ये लोड करतात आणि पावडर वितळण्यासाठी गरम करतात.

Czochralski पद्धत क्रिस्टल वाढ सुरू करण्यासाठी वितळलेल्या पृष्ठभागाशी संपर्क साधण्यासाठी बीज क्रिस्टलचा वापर करते. त्याच वेळी, सीड क्रिस्टल फिरवला जातो आणि एकसमान क्रिस्टल स्ट्रक्चरसह एकल क्रिस्टल रॉड मिळविण्यासाठी सीड क्रिस्टल रॉड हळूहळू उचलला जातो.

मार्गदर्शित मोल्ड पद्धतीसाठी क्रुसिबलच्या वर मार्गदर्शक साचा (इरिडियम किंवा इतर उच्च-तापमान प्रतिरोधक सामग्रीचा बनलेला) स्थापित करणे आवश्यक आहे. जेव्हा मार्गदर्शक साचा वितळण्यात बुडविला जातो तेव्हा वितळणे साच्याच्या वरच्या पृष्ठभागाकडे टेम्पलेट आणि सायफन प्रभावाने आकर्षित होते. वितळल्याने पृष्ठभागावरील ताणाच्या क्रियेखाली एक पातळ फिल्म बनते आणि सभोवतालच्या परिसरात पसरते. वितळलेल्या फिल्मशी संपर्क साधण्यासाठी सीड क्रिस्टल खाली ठेवला जातो आणि सीड क्रिस्टलचा शेवटचा चेहरा सीड क्रिस्टल सारखीच रचना असलेल्या एकाच क्रिस्टलला स्फटिक करण्यासाठी साच्याच्या शीर्षस्थानी तापमान ग्रेडियंट नियंत्रित केले जाते. मग सीड क्रिस्टल खेचण्याच्या यंत्रणेद्वारे सतत वर उचलला जातो. बियाणे स्फटिक खांदा सोडल्यानंतर आणि समान व्यासाच्या वाढीनंतर संपूर्ण सिंगल क्रिस्टलची तयारी पूर्ण करते. मोल्डच्या वरच्या भागाचा आकार आणि आकार निर्देशित मोल्ड पद्धतीने वाढलेल्या क्रिस्टलचा क्रॉस-सेक्शनल आकार निर्धारित करतो.