الجيل الرابع من أشباه الموصلات أكسيد الغاليوم/β-Ga2O3

يتمثل الجيل الأول من المواد شبه الموصلة بشكل رئيسي في السيليكون (Si) والجرمانيوم (Ge)، الذي بدأ في الارتفاع في الخمسينيات من القرن العشرين. كان الجرمانيوم هو السائد في الأيام الأولى وكان يستخدم بشكل رئيسي في الترانزستورات وأجهزة الكشف الضوئي ذات الجهد المنخفض والتردد المنخفض والمتوسطة الطاقة، ولكن بسبب ضعف مقاومته لدرجات الحرارة العالية ومقاومته للإشعاع، تم استبداله تدريجياً بأجهزة السيليكون في أواخر الستينيات. . لا يزال السيليكون هو مادة أشباه الموصلات الرئيسية في مجال الإلكترونيات الدقيقة بسبب نضجه التكنولوجي العالي ومزاياه من حيث التكلفة.

يشمل الجيل الثاني من مواد أشباه الموصلات بشكل رئيسي أشباه الموصلات المركبة مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs) وفوسفيد الإنديوم (InP)، والتي تستخدم على نطاق واسع في أفران الميكروويف عالية الأداء، والموجات المليمترية، والإلكترونيات الضوئية، والاتصالات عبر الأقمار الصناعية وغيرها من المجالات. ومع ذلك، بالمقارنة مع السيليكون، فإن تكلفته ونضجه التكنولوجي وخصائصه المادية قد حدت من تطوير ونشر مواد أشباه الموصلات من الجيل الثاني في الأسواق الحساسة للتكلفة.

يشمل ممثلو الجيل الثالث من أشباه الموصلات بشكل رئيسينيتريد الغاليوم (GaN)وكربيد السيليكون (SiC)، وكان الجميع على دراية بهاتين المادتين في العامين الماضيين. تم تسويق ركائز SiC تجاريًا بواسطة شركة Cree (أعيدت تسميتها لاحقًا باسم Wolfspeed) في عام 1987، ولكن لم يتم الترويج حقًا للتسويق التجاري على نطاق واسع لأجهزة كربيد السيليكون إلا بعد تطبيق تسلا في السنوات الأخيرة. من المحركات الرئيسية للسيارات إلى تخزين الطاقة الكهروضوئية إلى الأجهزة الاستهلاكية البيضاء، دخل كربيد السيليكون حياتنا اليومية. يحظى تطبيق GaN أيضًا بشعبية كبيرة في هواتفنا المحمولة وأجهزة شحن الكمبيوتر اليومية. في الوقت الحاضر، تكون معظم أجهزة GaN أقل من 650 فولت وتستخدم على نطاق واسع في مجال المستهلك. سرعة نمو بلورات SiC بطيئة جدًا (0.1-0.3 مم في الساعة)، وعملية نمو البلورات لها متطلبات فنية عالية. ومن حيث التكلفة والكفاءة، فهي بعيدة كل البعد عن المقارنة بالمنتجات القائمة على السيليكون.

وتشمل أشباه الموصلات من الجيل الرابع بشكل رئيسيأكسيد الغاليوم (Ga2O3)، الماس (الماس)، ونيتريد الألومنيوم (AlN). من بينها، صعوبة إعداد الركيزة من أكسيد الغاليوم أقل من نيتريد الماس والألومنيوم، وتقدم تسويقها هو الأسرع والأكثر واعدة. بالمقارنة مع مواد Si والجيل الثالث، فإن مواد أشباه الموصلات من الجيل الرابع لديها فجوات نطاق أعلى وقوة مجال انهيار، ويمكن أن توفر أجهزة طاقة ذات جهد تحمل أعلى.

إحدى مزايا أكسيد الغاليوم على كربيد السيليكون هو أنه يمكن زراعة بلورته الفردية بطريقة الطور السائل، مثل طريقة Czochralski وطريقة القالب الموجه لإنتاج قضبان السيليكون التقليدية. تقوم كلتا الطريقتين أولاً بتحميل مسحوق أكسيد الغاليوم عالي النقاء في بوتقة الإيريديوم وتسخينه لإذابة المسحوق.

تستخدم طريقة Czochralski بلورة البذور للاتصال بسطح الذوبان لبدء نمو البلورة. في الوقت نفسه، يتم تدوير بلورة البذرة ويتم رفع قضيب بلورة البذرة ببطء للحصول على قضيب بلوري واحد بهيكل بلوري موحد.

تتطلب طريقة القالب الموجه تثبيت قالب توجيه (مصنوع من الإيريديوم أو مواد أخرى مقاومة للحرارة العالية) فوق البوتقة. عندما يتم غمر قالب التوجيه في المصهور، ينجذب المصهور إلى السطح العلوي للقالب بواسطة تأثير القالب والسيفون. يشكل الذوبان طبقة رقيقة تحت تأثير التوتر السطحي وينتشر في المناطق المحيطة. يتم وضع بلورة البذرة لأسفل لتلامس الفيلم الذائب، ويتم التحكم في تدرج درجة الحرارة في الجزء العلوي من القالب لجعل الوجه النهائي لبلورة البذرة يتبلور بلورة واحدة لها نفس بنية بلورة البذرة. ثم يتم رفع بلورة البذور بشكل مستمر إلى الأعلى بواسطة آلية السحب. تكمل بلورة البذرة تحضير البلورة المفردة بأكملها بعد تحرير الكتف ونمو القطر المتساوي. يحدد شكل وحجم الجزء العلوي من القالب شكل المقطع العرضي للبلورة المزروعة بطريقة القالب الموجه.