4వ తరం సెమీకండక్టర్స్ గాలియం ఆక్సైడ్/β-Ga2O3

సెమీకండక్టర్ మెటీరియల్స్ యొక్క మొదటి తరం ప్రధానంగా సిలికాన్ (Si) మరియు జెర్మేనియం (Ge) ద్వారా ప్రాతినిధ్యం వహిస్తుంది, ఇది 1950 లలో పెరగడం ప్రారంభమైంది. ప్రారంభ రోజుల్లో జెర్మేనియం ప్రబలంగా ఉంది మరియు ప్రధానంగా తక్కువ-వోల్టేజ్, తక్కువ-ఫ్రీక్వెన్సీ, మీడియం-పవర్ ట్రాన్సిస్టర్‌లు మరియు ఫోటోడెటెక్టర్‌లలో ఉపయోగించబడింది, అయితే దాని పేలవమైన అధిక ఉష్ణోగ్రత నిరోధకత మరియు రేడియేషన్ నిరోధకత కారణంగా, ఇది క్రమంగా 1960ల చివరిలో సిలికాన్ పరికరాల ద్వారా భర్తీ చేయబడింది. . అధిక సాంకేతిక పరిపక్వత మరియు వ్యయ ప్రయోజనాల కారణంగా మైక్రోఎలక్ట్రానిక్స్ రంగంలో సిలికాన్ ఇప్పటికీ ప్రధాన సెమీకండక్టర్ పదార్థం.

రెండవ తరం సెమీకండక్టర్ పదార్థాలలో ప్రధానంగా గాలియం ఆర్సెనైడ్ (GaAs) మరియు ఇండియం ఫాస్ఫైడ్ (InP) వంటి సమ్మేళన సెమీకండక్టర్‌లు ఉన్నాయి, వీటిని అధిక-పనితీరు గల మైక్రోవేవ్‌లు, మిల్లీమీటర్ వేవ్‌లు, ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్స్, శాటిలైట్ కమ్యూనికేషన్‌లు మరియు ఇతర రంగాలలో విస్తృతంగా ఉపయోగిస్తున్నారు. అయినప్పటికీ, సిలికాన్‌తో పోలిస్తే, దాని ధర, సాంకేతిక పరిపక్వత మరియు పదార్థ లక్షణాలు ఖర్చు-సెన్సిటివ్ మార్కెట్‌లలో రెండవ తరం సెమీకండక్టర్ పదార్థాల అభివృద్ధి మరియు ప్రజాదరణను పరిమితం చేశాయి.

మూడవ తరం సెమీకండక్టర్ల ప్రతినిధులు ప్రధానంగా ఉన్నారుగాలియం నైట్రైడ్ (GaN)మరియుసిలికాన్ కార్బైడ్ (SiC), మరియు ప్రతి ఒక్కరూ గత రెండు సంవత్సరాలలో ఈ రెండు పదార్థాలతో బాగా సుపరిచితులు. SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌లను క్రీ (తరువాత వోల్ఫ్‌స్పీడ్ పేరు మార్చబడింది) 1987లో వాణిజ్యీకరించింది, అయితే ఇటీవలి సంవత్సరాలలో టెస్లా యొక్క అప్లికేషన్ వరకు సిలికాన్ కార్బైడ్ పరికరాల యొక్క పెద్ద-స్థాయి వాణిజ్యీకరణ నిజంగా ప్రోత్సహించబడలేదు. ఆటోమోటివ్ మెయిన్ డ్రైవ్‌ల నుండి ఫోటోవోల్టాయిక్ ఎనర్జీ స్టోరేజ్ వరకు వినియోగదారు తెలుపు ఉపకరణాల వరకు, సిలికాన్ కార్బైడ్ మన దైనందిన జీవితంలోకి ప్రవేశించింది. GaN అప్లికేషన్ మా రోజువారీ మొబైల్ ఫోన్‌లు మరియు కంప్యూటర్ ఛార్జింగ్ పరికరాలలో కూడా ప్రసిద్ధి చెందింది. ప్రస్తుతం, చాలా GaN పరికరాలు <650V మరియు వినియోగదారు రంగంలో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతున్నాయి. SiC యొక్క క్రిస్టల్ పెరుగుదల వేగం చాలా నెమ్మదిగా ఉంటుంది (గంటకు 0.1-0.3mm), మరియు క్రిస్టల్ పెరుగుదల ప్రక్రియ అధిక సాంకేతిక అవసరాలు కలిగి ఉంటుంది. ఖర్చు మరియు సామర్థ్యం పరంగా, ఇది సిలికాన్ ఆధారిత ఉత్పత్తులతో పోల్చదగినది కాదు.

నాల్గవ తరం సెమీకండక్టర్లు ప్రధానంగా ఉన్నాయిగాలియం ఆక్సైడ్ (Ga2O3), డైమండ్ (డైమండ్), మరియుఅల్యూమినియం నైట్రైడ్ (AlN). వాటిలో, గాలియం ఆక్సైడ్ యొక్క సబ్‌స్ట్రేట్‌ను తయారు చేయడంలో ఇబ్బంది డైమండ్ మరియు అల్యూమినియం నైట్రైడ్ కంటే తక్కువగా ఉంటుంది మరియు దాని వాణిజ్యీకరణ పురోగతి వేగవంతమైనది మరియు అత్యంత ఆశాజనకంగా ఉంది. Si మరియు మూడవ తరం పదార్థాలతో పోలిస్తే, నాల్గవ తరం సెమీకండక్టర్ పదార్థాలు అధిక బ్యాండ్ గ్యాప్‌లు మరియు బ్రేక్‌డౌన్ ఫీల్డ్ బలాన్ని కలిగి ఉంటాయి మరియు అధిక తట్టుకునే వోల్టేజ్‌తో పవర్ పరికరాలను అందించగలవు.

SiC కంటే గాలియం ఆక్సైడ్ యొక్క ప్రయోజనాల్లో ఒకటి ఏమిటంటే, దాని సింగిల్ క్రిస్టల్‌ను లిక్విడ్ ఫేజ్ పద్ధతిలో పెంచవచ్చు, ఉదాహరణకు Czochralski పద్ధతి మరియు సాంప్రదాయ సిలికాన్ రాడ్ ఉత్పత్తి యొక్క మార్గదర్శక అచ్చు పద్ధతి. రెండు పద్ధతులు ముందుగా అధిక స్వచ్ఛత గల గాలియం ఆక్సైడ్ పౌడర్‌ను ఇరిడియం క్రూసిబుల్‌లోకి లోడ్ చేసి, పొడిని కరిగించడానికి దానిని వేడి చేయండి.

Czochralski పద్ధతి స్ఫటిక పెరుగుదలను ప్రారంభించడానికి కరిగే ఉపరితలాన్ని సంప్రదించడానికి సీడ్ క్రిస్టల్‌ను ఉపయోగిస్తుంది. అదే సమయంలో, విత్తన స్ఫటికం తిప్పబడుతుంది మరియు ఏకరీతి క్రిస్టల్ నిర్మాణంతో ఒకే క్రిస్టల్ రాడ్‌ను పొందేందుకు సీడ్ క్రిస్టల్ రాడ్ నెమ్మదిగా పైకి లేపబడుతుంది.

గైడెడ్ అచ్చు పద్ధతికి గైడ్ అచ్చు (ఇరిడియం లేదా ఇతర అధిక-ఉష్ణోగ్రత నిరోధక పదార్థాలతో తయారు చేయబడింది) క్రూసిబుల్ పైన వ్యవస్థాపించబడాలి. గైడ్ అచ్చు కరుగులో మునిగిపోయినప్పుడు, కరుగు టెంప్లేట్ మరియు సిఫాన్ ప్రభావం ద్వారా అచ్చు యొక్క ఎగువ ఉపరితలంపై ఆకర్షిస్తుంది. కరుగు ఉపరితల ఉద్రిక్తత చర్యలో ఒక సన్నని చలనచిత్రాన్ని ఏర్పరుస్తుంది మరియు పరిసరాలకు వ్యాపిస్తుంది. మెల్ట్ ఫిల్మ్‌ను సంప్రదించడానికి సీడ్ క్రిస్టల్ క్రిందికి ఉంచబడుతుంది మరియు విత్తన స్ఫటికం యొక్క చివరి ముఖాన్ని సీడ్ క్రిస్టల్ వలె అదే నిర్మాణంతో స్ఫటికీకరించేలా అచ్చు పైభాగంలో ఉష్ణోగ్రత ప్రవణత నియంత్రించబడుతుంది. అప్పుడు సీడ్ క్రిస్టల్ లాగడం మెకానిజం ద్వారా నిరంతరం పైకి లేపబడుతుంది. భుజం విడుదల మరియు సమాన వ్యాసం పెరుగుదల తర్వాత సీడ్ క్రిస్టల్ మొత్తం సింగిల్ క్రిస్టల్ తయారీని పూర్తి చేస్తుంది. అచ్చు పైభాగం యొక్క ఆకారం మరియు పరిమాణం గైడెడ్ అచ్చు పద్ధతి ద్వారా పెరిగిన క్రిస్టల్ యొక్క క్రాస్-సెక్షనల్ ఆకారాన్ని నిర్ణయిస్తుంది.