चौथी पीढ़ी के अर्धचालक गैलियम ऑक्साइड/β-Ga2O3

अर्धचालक सामग्रियों की पहली पीढ़ी मुख्य रूप से सिलिकॉन (Si) और जर्मेनियम (Ge) द्वारा दर्शायी जाती है, जो 1950 के दशक में बढ़ना शुरू हुई। शुरुआती दिनों में जर्मेनियम प्रमुख था और इसका उपयोग मुख्य रूप से कम-वोल्टेज, कम-आवृत्ति, मध्यम-शक्ति ट्रांजिस्टर और फोटोडिटेक्टरों में किया जाता था, लेकिन इसके खराब उच्च तापमान प्रतिरोध और विकिरण प्रतिरोध के कारण, 1960 के दशक के अंत में इसे धीरे-धीरे सिलिकॉन उपकरणों द्वारा प्रतिस्थापित किया गया था। . अपनी उच्च तकनीकी परिपक्वता और लागत लाभ के कारण सिलिकॉन अभी भी माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक के क्षेत्र में मुख्य अर्धचालक सामग्री है।

अर्धचालक सामग्रियों की दूसरी पीढ़ी में मुख्य रूप से गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) और इंडियम फॉस्फाइड (InP) जैसे यौगिक अर्धचालक शामिल हैं, जिनका व्यापक रूप से उच्च-प्रदर्शन माइक्रोवेव, मिलीमीटर तरंगें, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स, उपग्रह संचार और अन्य क्षेत्रों में उपयोग किया जाता है। हालाँकि, सिलिकॉन की तुलना में, इसकी लागत, तकनीकी परिपक्वता और भौतिक गुणों ने लागत-संवेदनशील बाजारों में दूसरी पीढ़ी के अर्धचालक सामग्रियों के विकास और लोकप्रियकरण को सीमित कर दिया है।

अर्धचालकों की तीसरी पीढ़ी के प्रतिनिधि मुख्य रूप से शामिल हैंगैलियम नाइट्राइड (GaN)औरसिलिकॉन कार्बाइड (SiC), और पिछले दो वर्षों में हर कोई इन दोनों सामग्रियों से बहुत परिचित है। 1987 में क्री (बाद में इसका नाम बदलकर वोल्फस्पीड) द्वारा SiC सबस्ट्रेट्स का व्यावसायीकरण किया गया था, लेकिन हाल के वर्षों में टेस्ला के आवेदन तक सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणों के बड़े पैमाने पर व्यावसायीकरण को वास्तव में बढ़ावा नहीं मिला था। ऑटोमोटिव मुख्य ड्राइव से लेकर फोटोवोल्टिक ऊर्जा भंडारण से लेकर उपभोक्ता सफेद उपकरणों तक, सिलिकॉन कार्बाइड हमारे दैनिक जीवन में प्रवेश कर चुका है। GaN का एप्लिकेशन हमारे दैनिक मोबाइल फोन और कंप्यूटर चार्जिंग उपकरणों में भी लोकप्रिय है। वर्तमान में, अधिकांश GaN डिवाइस <650V हैं और उपभोक्ता क्षेत्र में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं। SiC की क्रिस्टल विकास गति बहुत धीमी है (0.1-0.3 मिमी प्रति घंटा), और क्रिस्टल विकास प्रक्रिया में उच्च तकनीकी आवश्यकताएं हैं। लागत और दक्षता के मामले में, यह सिलिकॉन-आधारित उत्पादों से तुलनीय नहीं है।

चौथी पीढ़ी के अर्धचालकों में मुख्य रूप से शामिल हैंगैलियम ऑक्साइड (Ga2O3), हीरा (डायमंड), औरएल्यूमीनियम नाइट्राइड (AlN). उनमें से, गैलियम ऑक्साइड का सब्सट्रेट तैयार करने की कठिनाई हीरे और एल्यूमीनियम नाइट्राइड की तुलना में कम है, और इसके व्यावसायीकरण की प्रगति सबसे तेज और सबसे आशाजनक है। सी और तीसरी पीढ़ी की सामग्रियों की तुलना में, चौथी पीढ़ी के सेमीकंडक्टर सामग्रियों में उच्च बैंड अंतराल और ब्रेकडाउन फ़ील्ड ताकत होती है, और उच्च वोल्टेज झेलने वाले बिजली उपकरण प्रदान कर सकते हैं।

SiC की तुलना में गैलियम ऑक्साइड के फायदों में से एक यह है कि इसके एकल क्रिस्टल को तरल चरण विधि द्वारा उगाया जा सकता है, जैसे कि Czochralski विधि और पारंपरिक सिलिकॉन रॉड उत्पादन की निर्देशित मोल्ड विधि। दोनों विधियाँ पहले उच्च शुद्धता वाले गैलियम ऑक्साइड पाउडर को इरिडियम क्रूसिबल में लोड करती हैं और पाउडर को पिघलाने के लिए इसे गर्म करती हैं।

Czochralski विधि क्रिस्टल विकास शुरू करने के लिए पिघल की सतह से संपर्क करने के लिए बीज क्रिस्टल का उपयोग करती है। उसी समय, बीज क्रिस्टल को घुमाया जाता है और समान क्रिस्टल संरचना के साथ एकल क्रिस्टल रॉड प्राप्त करने के लिए बीज क्रिस्टल रॉड को धीरे-धीरे उठाया जाता है।

निर्देशित मोल्ड विधि के लिए क्रूसिबल के ऊपर एक गाइड मोल्ड (इरिडियम या अन्य उच्च तापमान प्रतिरोधी सामग्री से बना) स्थापित करने की आवश्यकता होती है। जब गाइड मोल्ड को पिघल में डुबोया जाता है, तो टेम्पलेट और साइफन प्रभाव से पिघल को मोल्ड की ऊपरी सतह पर आकर्षित किया जाता है। सतह तनाव की क्रिया के तहत पिघल एक पतली फिल्म बनाती है और आसपास के वातावरण में फैल जाती है। बीज क्रिस्टल को पिघली हुई फिल्म से संपर्क करने के लिए नीचे रखा जाता है, और बीज क्रिस्टल के अंतिम चेहरे को बीज क्रिस्टल के समान संरचना के साथ एक क्रिस्टल बनाने के लिए मोल्ड के शीर्ष पर तापमान प्रवणता को नियंत्रित किया जाता है। फिर बीज क्रिस्टल को खींच तंत्र द्वारा लगातार ऊपर की ओर उठाया जाता है। बीज क्रिस्टल कंधे की रिहाई और समान व्यास के विकास के बाद पूरे एकल क्रिस्टल की तैयारी पूरी करता है। साँचे के शीर्ष का आकार और आकार निर्देशित साँचे विधि द्वारा उगाए गए क्रिस्टल के क्रॉस-अनुभागीय आकार को निर्धारित करते हैं।