Semikonduktor Generasi ke-4 Gallium Oksida/β-Ga2O3

Bahan semikonduktor generasi pertama terutama diwakili oleh silikon (Si) dan germanium (Ge), yang mulai bangkit pada tahun 1950-an. Germanium dominan pada masa-masa awal dan terutama digunakan pada transistor dan fotodetektor bertegangan rendah, frekuensi rendah, dan berdaya menengah, namun karena ketahanannya yang buruk terhadap suhu tinggi dan ketahanan radiasi, secara bertahap digantikan oleh perangkat silikon pada akhir tahun 1960an. . Silikon masih menjadi bahan semikonduktor utama di bidang mikroelektronika karena kematangan teknologinya yang tinggi dan keunggulan biaya.

Bahan semikonduktor generasi kedua terutama mencakup semikonduktor majemuk seperti galium arsenida (GaAs) dan indium fosfida (InP), yang banyak digunakan dalam gelombang mikro berkinerja tinggi, gelombang milimeter, optoelektronik, komunikasi satelit, dan bidang lainnya. Namun, dibandingkan dengan silikon, biaya, kematangan teknologi, dan sifat materialnya telah membatasi pengembangan dan mempopulerkan material semikonduktor generasi kedua di pasar yang sensitif terhadap biaya.

Perwakilan dari semikonduktor generasi ketiga terutama meliputigalium nitrida (GaN)Dansilikon karbida (SiC), dan semua orang sudah sangat familiar dengan kedua materi ini dalam dua tahun terakhir. Substrat SiC dikomersialkan oleh Cree (kemudian berganti nama menjadi Wolfspeed) pada tahun 1987, namun baru setelah penerapan Tesla dalam beberapa tahun terakhir, komersialisasi skala besar perangkat silikon karbida benar-benar dipromosikan. Dari penggerak utama otomotif hingga penyimpanan energi fotovoltaik hingga peralatan rumah tangga konsumen, silikon karbida telah memasuki kehidupan kita sehari-hari. Penerapan GaN juga populer di ponsel dan perangkat pengisi daya komputer kita sehari-hari. Saat ini, sebagian besar perangkat GaN memiliki tegangan <650V dan banyak digunakan di bidang konsumen. Kecepatan pertumbuhan kristal SiC sangat lambat (0,1-0,3 mm per jam), dan proses pertumbuhan kristal memiliki persyaratan teknis yang tinggi. Dari segi biaya dan efisiensi, jauh dari sebanding dengan produk berbahan silikon.

Semikonduktor generasi keempat terutama meliputigalium oksida (Ga2O3), berlian (Berlian), danaluminium nitrida (AlN). Diantaranya, kesulitan dalam menyiapkan substrat galium oksida lebih rendah dibandingkan intan dan aluminium nitrida, dan kemajuan komersialisasinya adalah yang tercepat dan paling menjanjikan. Dibandingkan dengan material Si dan generasi ketiga, material semikonduktor generasi keempat memiliki celah pita dan kekuatan medan tembus yang lebih tinggi, serta dapat menyediakan tegangan tahan yang lebih tinggi pada perangkat listrik.

Salah satu keunggulan galium oksida dibandingkan SiC adalah kristal tunggalnya dapat ditumbuhkan dengan metode fase cair, seperti metode Czochralski dan metode cetakan terpandu pada produksi batang silikon tradisional. Kedua metode tersebut pertama-tama memasukkan bubuk galium oksida dengan kemurnian tinggi ke dalam wadah iridium dan memanaskannya untuk melelehkan bubuk tersebut.

Metode Czochralski menggunakan benih kristal untuk menghubungi permukaan lelehan untuk memulai pertumbuhan kristal. Pada saat yang sama, kristal benih diputar dan batang kristal benih diangkat secara perlahan untuk mendapatkan batang kristal tunggal dengan struktur kristal yang seragam.

Metode cetakan terpandu memerlukan cetakan pemandu (terbuat dari iridium atau bahan tahan suhu tinggi lainnya) yang dipasang di atas wadah. Ketika cetakan pemandu direndam dalam lelehan, lelehan tersebut tertarik ke permukaan atas cetakan oleh efek templat dan siphon. Lelehan membentuk lapisan tipis di bawah pengaruh tegangan permukaan dan berdifusi ke lingkungan sekitar. Kristal benih ditempatkan di bawah untuk menghubungi film leleh, dan gradien suhu di bagian atas cetakan dikontrol untuk membuat permukaan ujung kristal benih mengkristal menjadi kristal tunggal dengan struktur yang sama dengan kristal benih. Kemudian kristal benih diangkat secara terus menerus ke atas dengan mekanisme penarik. Kristal benih melengkapi persiapan seluruh kristal tunggal setelah pelepasan bahu dan pertumbuhan diameter yang sama. Bentuk dan ukuran bagian atas cetakan menentukan bentuk penampang kristal yang ditumbuhkan dengan metode cetakan terpandu.