Actually, gallium oxide(Ga2O3) is not a new technology. Studies on gallium oxide applications in the field of power semiconductors are carried out by companies and research institutions all the time. And the gallium oxide material is mainly from Japan. With the development of Ga2O3 applications requirements becoming clearer, the performance requirements for high-power devices are getting higher and higher. Gallium oxide semiconductor has become the research hotspots and competition priorities in United States, Japan, Germany and other countries. PAM-XIAMEN has seen more deeply the advantages and prospects of gallium oxide semiconductor, and corresponding research has increased. At present, PAM-XIAEMN can offer Ga2O3 wafer in prime grade and dummy grade.
1. إن Gنشط Cهانج Semiconductor Materials
بادئ ذي بدء ، نحتاج إلى معرفة حالة كل جيل من أشباه الموصلات:
The first-generation semiconductor materials mainly refer to elemental semiconductor materials of silicon (Si) and germanium (Ge). The first generation of semiconductor materials, especially silicon, firmly occupies a dominant position in the development and application of semiconductor devices. It is the basis material for large-scale integrated circuits, analog ICs, sensors and other devices. Silicon processing technology is the cornerstone of the realization of Moore’s Law. Silicon-based chips have been widely used in computers, mobile phones, televisions, aerospace, and the new energy and silicon photovoltaic industries. As a result, many people outside the industry think that semiconductors are silicon when they mention semiconductors.
تشير مواد أشباه الموصلات من الجيل الثاني بشكل أساسي إلى مواد أشباه الموصلات المركبة ، مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs) وفوسفيد الإنديوم (InP) ، وتشمل أيضًا أشباه الموصلات الثلاثية ، مثل GaAsAl و GaAsP وبعض أشباه الموصلات الصلبة ، مثل Ge- Si ، GaAs-GaP ، أشباه الموصلات الزجاجية (وتسمى أيضًا أشباه الموصلات غير المتبلورة) ، والسيليكون غير المتبلور ، وأشباه الموصلات الزجاجية ، وأشباه الموصلات العضوية ، مثل الفثالوسيانين ، والنحاس الفثالوسيانين ، والبولي أكريلونيتريل ، إلخ.
تشير مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث إلى مواد أشباه الموصلات ذات الفجوة الواسعة ، ممثلة بـكربيد السيليكون (كربيد السيليكون)،نيتريد الغاليوم (GaN)، وأكسيد الزنك (ZnO). من حيث التطبيق ، وفقًا لتطور الجيل الثالث من أشباه الموصلات ، فإن تطبيقاته الرئيسية هي إضاءة أشباه الموصلات ، وأجهزة الطاقة الإلكترونية ، والليزر وأجهزة الكشف ، والمجالات الأربعة الأخرى. لا تزال أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريضة في مرحلة البحث والتطوير في المختبر.
مواد أشباه الموصلات من الجيل الرابع عبارة عن مواد شبه موصلة ذات فجوة نطاق عريضة للغاية (UWBG) ، ممثلة بأشباه الموصلات الماسية (C) وأكسيد الغاليوم (Ga2O3) ونتريد الألومنيوم (AlN) ، مع فجوة نطاق تتجاوز 4eV ، و- مواد أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الضيقة (UNBG). Antimonide (GaSb ، InSb) هو ممثل مادة أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الضيقة للغاية (UNBG). في التطبيق ، سوف تتداخل مادة فجوة النطاق العريضة للغاية Ga2O3 مع مادة الجيل الثالث ، والتي تتمتع بشكل أساسي بمزايا مميزة أكثر بروزًا في مجال أجهزة الطاقة ؛ بينما نظرًا لسهولة الإثارة والتنقل العالي لمواد فجوة النطاق الضيقة جدًا ، فهي تستخدم بشكل أساسي في أجهزة الكشف والليزر.
2.الخصائص من أكسيد الغاليومأشباه الموصلات
أكسيد الغاليوم هو أكسيد الغاليوم المعدني ، وهو أيضًا مركب أشباه الموصلات. يحتوي على 5 أشكال بلورية مؤكدة ، α و و γ و δ و. حتى الآن ، من بينها ، تعد المرحلة β هي الأكثر استقرارًا. خذ مواد أشباه الموصلات من أكسيد الغاليوم التي تنتجها PAM-XIAMEN كمثال في الجزء التالي.
β-المرحلة هيكل بلوري أكسيد الغاليوم
معظم تقارير أبحاث الصناعة المتعلقة بنمو بلورات أكسيد الغاليوم (Ga2O3) وخصائص Ga2O3 في الفيزياء تستخدم المرحلة و، المرحلة أيضًا على نطاق واسع في البحث والتطوير المحلي. تحتوي المرحلة على بنية بلورية واحدة من Ga2O3 تسمى "β-gallia". فجوة النطاق في المرحلة very كبيرة جدًا ، حيث تصل إلى 4.8 إلى 4.9 فولت ، وهو أكثر من 4 مرات من Si ، ويتجاوز أيضًا 3.3 فولت من SiC و 3.4 فولت من الجاليوم (يظهر الجدول 1 أدناه). في ظل الظروف العادية ، تكون فجوة نطاق أكسيد الغاليوم كبيرة ، وستكون شدة المجال الكهربائي للانهيار كبيرة. تقدر شدة مجال انهيار Ga2O3 للطور بحوالي 8MV / cm ، أي أكثر من 20 مرة من Si ، وهو ما يعادل أكثر من ضعف SiC و GaN. في الوقت الحاضر ، قامت المؤسسات البحثية بالفعل بتصنيع أجهزة 6.8MV / cm.
| مادة | فجوة الحزمة / فولت | نقطة الانصهار / ℃ | تنقل الإلكترون （cm2 * V-1 * s-1） | سرعة تشبع الإلكترون / 107 سم * ق -1） | المجال الكهربائي للانهيار / 108 V * m-1 | ثابت العزل الكهربائي | الموصلية الحرارية （W * cm-1 * K-1 | استحقاق باليجا |
| سي | 1.1 | 1410 | 1400 | 1 | 0.3 | 11.8 | 1.5 | 1 |
| الغاليوم | 1.4 | 1238 | 8000 | 2 | 0.4 | 12.9 | 0.55 | 5 |
| 4H- كربون | 3.3 | >2700 | 550 | 2 | 2.5 | 9.7 | 2.7 | 340 |
| الجاليوم | 3.39 | 1700 | 600 | 2 | 3.3 | 9 | 2.1 | 870 |
| الماس | 5.5 | 3800 | 2200 | 3 | 10 | 5.5 | 22 | 24664 |
| أكسيد الغاليوم | 4.8-4.9 | 1740 | 300 | 2.42 | 8 | 10 | 0.27 | 3444 |
| نيتريد البورون | 6 | >2937 | -1500 | 1.9 | -8 | 7.1 | 13 | 12224 |
بينما تتميز المرحلة the بخصائص فيزيائية ممتازة ، إلا أنها تتميز بقابلية تنقل منخفضة وموصلية حرارية ، وصعوبة في تصنيع أشباه الموصلات من النوع p ، وهي أدنى من SiC و GaN. ومع ذلك ، تظهر الأبحاث الحالية أن هذه الجوانب لن يكون لها تأثير كبير على خصائص مكونات الطاقة ، لأن أداء أجهزة الطاقة يعتمد بشكل كبير على قوة المجال الكهربائي المنكسر. بالنسبة لمرحلة β ، فإن "رقم الجدارة في Baliga" كمؤشر منخفض الخسارة يتناسب مع القوة الثالثة لشدة المجال الكهربائي للانهيار ويتناسب مع القوة الأولى للتنقل.
تم اقتراح مؤشر أداء Baliga من قبل السيد جايانت باليجا ، الذي شارك في أبحاث وتطوير أشباه موصلات الطاقة لسنوات عديدة في شركة جنرال إلكتريك في الولايات المتحدة. يتم استخدامه لتقييم أداء الأجهزة أحادية القطب ، مثل Power MOSFETs. هناك "BFOM (شخصية Baliga`s من المزايا)" ، والتي تحدد الخسارة النظرية للتردد المنخفض ، و "BHFFOM (الشكل عالي التردد من Baliga)" ، الذي يحدد الخسارة النظرية للتردد العالي. في مجال البحث والتطوير لأشباه موصلات الطاقة ، يتم استخدام BFOM منخفض التردد على نطاق واسع.
| مقارنة خصائص مواد ومكونات أشباه موصلات الطاقة | ||||
| السيليكون | 4H- كربون | الجاليوم | β-Ga2O3 | |
| مكونات عالية الجهد | الإنتاج الضخم | الإنتاج الضخم | تحت التطوير | مرحلة البحث |
| متوسطة تحمل مكونات الجهد | الإنتاج الضخم | الإنتاج الضخم | الإنتاج الضخم | مرحلة التطوير |
| مقاومة العنصر | أعلى قليلا | منخفض | منخفض | منخفظ جدا |
| مؤشر أداء فقدان التردد المنخفض (القيمة النسبية لـ BFOM) | 1 | 500 | 900 | 3،000 (مرتفع جدًا) |
| شدة مجال الانهيار (MV / cm) | 0.3 | 2.8 | 3.5 | 8 (القيمة المقدرة) |
| الموصلية الحرارية (W / (cm * K)) | 1.5 | 4.9 | 2 | 0.1-0.3 (منخفض) |
| تكلفة الركيزة (الرقاقة) | منخفضة للغاية | عالي | عالية جدا (الركيزة GaN) | منخفض (مرحلة البحث) |
| غطاء الفرقة （إيف） | 1.1 | 3.3 | 3.4 | 4.8-4.9 |
| عنصر عمودي | الإنتاج الضخم | الإنتاج الضخم | قيد التطوير (صعب نوعًا ما) | مرحلة التطوير (مرجح جدًا) |
- β-Ga2O3المواد من شركة Xiamen Powerway Advanced Material Co. ، Ltd. (PAM-XIAMEN)
نظرًا لارتفاع رقم Balijia لميزة β-phase ، عند تصنيع أجهزة طاقة أحادية القطب بنفس جهد تحمل المقاومة ، تكون مقاومة المكون أقل بكثير من SiC أو GaN. تُظهر البيانات التجريبية أن تقليل المقاومة مفيد لتقليل فقد الطاقة لدائرة الطاقة عند تشغيلها. لا يمكن أن يقلل استخدام أجهزة Ga2O3 ذات الطاقة على مراحل من فقدان الطاقة أثناء التشغيل فحسب ، بل يقلل أيضًا من الخسارة أثناء التبديل ، لأنه يمكن استخدام المكونات أحادية القطب في تطبيقات الجهد العالي المقاومة فوق 1 كيلو فولت. β-Ga2O3 مناسب للإلكترونيات ذات فجوة النطاق العريض والإلكترونيات الضوئية.
على سبيل المثال ، يوجد ترانزستور أحادي القطب (MOSFET) يستخدم طبقة واقية لتقليل تركيز المجال الكهربائي على البوابة ، ويمكن أن يصل جهد تحمله إلى 3 كيلو إلى 4 كيلو فولت. في حالة استخدام السيليكون ، يجب استخدام عنصر ثنائي القطب عندما يكون جهد المقاومة 1 كيلو فولت. حتى في حالة استخدام SiC بجهد تحمل أعلى ، يجب استخدام عنصر ثنائي القطب عندما يكون جهد المقاومة 4 كيلو فولت. تستخدم الأجهزة ثنائية القطب الإلكترونات والثقوب كناقلات. بالمقارنة مع الأجهزة أحادية القطب التي تستخدم الإلكترونات فقط كحاملات ، فإن توليد واختفاء الموجات الحاملة في القناة سيكون وقتًا مكلفًا أثناء عمليات التبديل بين التشغيل والإيقاف. تميل الخسارة إلى أن تكون كبيرة.
من حيث الموصلية الحرارية لأكسيد الغاليوم ، إذا كانت هذه المعلمة منخفضة ، فمن الصعب على أجهزة الطاقة العمل في درجات حرارة عالية. ومع ذلك ، فإن درجة حرارة التشغيل بشكل عام لا تتجاوز 250 درجة مئوية ، لذلك لن يكون هناك أي تأثير على العملية في التطبيق. نظرًا لأن درجة الحرارة المقاومة للحرارة لمواد التغليف والأسلاك واللحام وراتنج الختم المستخدم في الوحدات ودوائر الطاقة المغلفة بأجهزة الطاقة لا تزيد عن 250 درجة مئوية ، يجب أيضًا التحكم في درجة حرارة تشغيل أجهزة الطاقة دون هذا المستوى.
من منظور آخر ، فإن الركيزة الطبيعية سهلة التصنيع ، والتحكم في تركيز الناقل ، والاستقرار الحراري المتأصل قد عززت أيضًا تطوير أجهزة أكسيد الغاليوم. وأعربت الأوراق ذات الصلة ، ومتى الركيزة Ga2O3مخدر من النوع N مع Si أو Sn ، يمكن تحقيق إمكانية تحكم جيدة.
على الرغم من أن بعض أشباه الموصلات UWBG (مثل نيتريد الألومنيوم AlN ونيتريد البورون المكعب c-BN والماس) لها مزايا أكثر من أشباه موصلات أكسيد الغاليوم في مخطط BFOM ، إلا أن تحضير المواد ومعالجة الجهاز محدودان للغاية. بمعنى آخر ، لا تزال AlN و c-BN والماس تفتقر إلى تراكم التكنولوجيا للتصنيع على نطاق واسع.
مقارنة خصائص المواد الرئيسية
تشير الإحصاءات ذات الصلة إلى أن فقدان أشباه الموصلات من أكسيد الغاليوم هو نظريًا 1/3000 من السيليكون ، و 1/6 من كربيد السيليكون ، و 1/3 من نيتريد الغاليوم. من أجل تقليل الخسارة بنسبة 86٪. الناس في الصناعة لديهم توقعات عالية لمستقبلها. والتكلفة عامل مهم آخر لجذب انتباه الصناعة
تُستخدم طريقة PVT بشكل شائع في إنتاج سبائك كربيد السيليكون. يتم تسخين SiC الصلب إلى 2500 درجة مئوية من أجل التسامي ثم إعادة بلورته على بلورة بذرة SiC عالية الجودة مع درجة حرارة أقل قليلاً. الصعوبات الأساسية هي:
1) درجة حرارة التسخين عالية مثل 2500 ℃ ، ومعدل نمو SiC بطيء جدًا (<1mm / h) ؛
2) حجم سبيكة الكريستال المزروعة أقصر بكثير من حجم Si ؛
3) متطلبات بلورات البذور عالية جدًا ، ويجب أن تتمتع بخصائص عالية الجودة ومتوافقة مع قطر البلورة المطلوب ؛
4) صلابة سبيكة كربيد السيليكون عالية نسبيًا ، ومن الصعب معالجتها وتلميعها ؛
استنادًا إلى ركائز SiC ، يتم استخدام ترسيب البخار الكيميائي (CVD) بشكل شائع للحصول على طبقات فوقية عالية الجودة ، ثم يتم تصنيع أجهزة الطاقة على الطبقات فوق المحورية. تتميز رقاقة الركيزة SiC بكثافة عيب أعلى من Si ، والتي ستتداخل بشكل أكبر مع نمو الطبقة فوق المحورية. ستنتج الطبقة فوق المحورية نفسها أيضًا عيوبًا بلورية ، والتي ستؤثر على أداء الأجهزة اللاحقة.
يمكن تحويل Ga2O3 ، مثل الياقوت ، من حالة حل إلى حالة بلورية مفردة (مجمعة). في الواقع ، من خلال استخدام نفس طريقة القوالب الموجهة EFG (النمو المحدد بالحافة المغذاة بالغشاء) مثل تقنية إنتاج بسكويت الويفر الياقوت ، حاولت شركة Japan NCT إنتاج رقاقة من أكسيد الغاليوم بقطر أقصى يبلغ 6 بوصات (150 مم) ، و تم بيع رقائق بقطر 2 بوصة (50 مم) لأغراض البحث والتطوير. تتميز هذه العملية بإنتاجية عالية وتكلفة منخفضة ومعدل نمو سريع وحجم بلوري كبير للنمو.
أنتجت "طريقة الانحلال" المستخدمة من قبل Flosfia 4 بوصات (100 مم) من رقائق Ga2O3 ذات المرحلة ألفا ، والتكلفة قريبة من تكلفة السيليكون. لكن مواد كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN) لا يمكن تحضيرها إلا من خلال "طريقة الطور الغازي" في الوقت الحاضر ، وستظل التكاليف المستقبلية مرتفعة بسبب التكلفة العالية للركيزة. بالنسبة لأشباه الموصلات بأكسيد الغاليوم ، مقارنةً بفجوة النطاق العريضة الحالية بتقنيات SiC و GaN ، سيكون للأغشية الرقيقة عالية الجودة والكبيرة الحجم من أكسيد الغاليوم الطبيعي مزايا تكلفة فريدة وهامة.
3. الحالي Sتاتوس Research و Dالتنمية و In تصنيع Gزهرة الآليوم Oاكسيد
نظرًا لوجود العديد من المزايا ، يُنظر إلى أكسيد الغاليوم على أنه تقنية ذات احتمالات أوسع من نيتريد الغاليوم.
SiC أو GaN. من منظور تقسيم العمل في السلسلة الصناعية ، شكلت Cree و Rohm و ST بالفعل نظام إمداد رأسي من ركيزة SiC → epitaxy → device → module. يقوم المصنعون ، مثل Infineon و Bosch و OnSemi وما إلى ذلك ، بشراء ركائز ثم إجراء نمو فوق المحور Ga2O3 بأنفسهم وصنع أجهزة ووحدات.
فيما يتعلق بالآلات الرقمية مثل السيارات الكهربائية والأجهزة المنزلية "الرخيصة" التي لها متطلبات تكلفة صارمة ، حتى لو كان أداء كربيد السيليكون ونتريد الغاليوم ممتازًا ، فلا يمكن للمصنعين قبول أسعارهم. تعيق قضايا التكلفة الصناعة من اعتماد مواد أشباه موصلات جديدة. تعمل طريقة التجفيف بالرش (MistDry) من FLOSFIA على إذابة أكسيد الغاليوم أولاً في محلول ممزوج بعشرات الصيغ ، ثم يرش المحلول على طبقة الياقوت في شكل ضباب. تشكلت بلورات أكسيد الغاليوم قبل أن يجف المحلول الموجود على ركيزة الياقوت. بهذه الطريقة ، يتم الحصول على الأغشية الرقيقة Ga2O3 مباشرة من الحالة السائلة ، بدون بيئة شديدة النظافة ودرجة الحرارة العالية ، وتصنيع رقاقة Ga2O3 بتكلفة منخفضة للغاية.
هذا النوع من المحلول سائل في درجة حرارة الغرفة ، ولا تحتاج درجة حرارة التبخر إلى 1500 درجة ، يكفي بضع مئات من الدرجات ؛ وبيئة صنع البلورات في هواء بدرجة حرارة الغرفة دون أي إجراءات عالية التكلفة. إذا تم أخذ الحجم الصغير في الاعتبار ، فمن الممكن أن يتم تصنيع أشباه الموصلات بنفس السعر وأداء أفضل من السيليكون.
نظرًا لخصائص المواد ، يعتقد بعض الخبراء أنه لا يمكن استخدام أشباه الموصلات من أكسيد الغاليوم في صناعة أشباه الموصلات من النوع P. ومع ذلك ، نجح Shizuo Fujita من جامعة كيوتو و Flosfia في تطوير أجهزة G2aO3 بشكل طبيعي من الترانزستور (MOSFET) بهيكل الياقوت في عام 2016. بمجرد أن تحل مادة أكسيد الغاليوم محل مادة السيليكون المستخدمة حاليًا على نطاق واسع ، فإنها ستقلل 14.4 مليون طن من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون كل عام.
4. خصائص الصناعة لأشباه موصلات الطاقة مناسبة للنمو المتفجر لأجهزة أكسيد الغاليوم
تُستخدم أشباه موصلات الطاقة في جميع مجالات إلكترونيات الطاقة ، والسوق ناضج ومستقر بنمو بطيء. ومع ذلك ، تسعى الصناعة دائمًا إلى الحصول على طاقة أعلى (شحن وتفريغ أسرع) ، وتوفير طاقة أكثر كفاءة (حرارة أقل ، وأكثر أمانًا وصديقًا للبيئة) ، وحجمًا ووزنًا أصغر (أكثر قابلية للحمل وأسهل في التركيب والصيانة) ، وتكلفة أقل (Ga2O3 الأوسع التطبيقات والأسواق). لذلك ، في السنوات الأخيرة ، أدت مجالات التطبيقات الجديدة ، مثل مركبات الطاقة الجديدة ، وتوليد الطاقة المتجددة ، والأجهزة المنزلية لتحويل التردد ، والشحن السريع ، إلى نمو هائل جديد.
ميزة الصناعة 1: ليست هناك حاجة لمواكبة قانون مور. بشكل عام ، يمكن استخدام عملية تصنيع 0.18 ~ 0.5um. تعتمد على جودة المواد ولها متطلبات عالية على عملية إنتاج المواد والأجهزة. نظرًا للاتجاه العام نحو التكامل والوحدة النمطية ، يجب تطوير تصميمات تغليف جديدة.
إجراء التصميم: تتميز دائرة أشباه الموصلات الكهربائية ببنية بسيطة ولا تحتاج إلى استثمار الكثير من رأس المال في الهندسة المعمارية ، والملكية الفكرية ، ومجموعة التعليمات ، وعملية التصميم ، وأدوات البرمجيات ، إلخ.
التصنيع: نظرًا لعدم وجود حاجة لمواكبة قانون مور ، فإن خط الإنتاج لا يعتمد بشكل كبير على المعدات المتطورة ، كما أن الإنفاق الرأسمالي الإجمالي صغير.
التعبئة والتغليف: يمكن تقسيمها إلى عبوات منفصلة للجهاز وتعبئة وحدة. نظرًا لأن أجهزة الطاقة لها متطلبات موثوقية عالية جدًا ، فإن التصميمات والمواد الخاصة مطلوبة ، وقيمة المعالجة اللاحقة تمثل أكثر من 35٪ ، وهي أعلى بكثير من 10٪ من رقائق المنطق الرقمي العادية. في الوقت الحالي ، وفقًا لمشاريع البحث وتخطيط المنتج ، بدأت العديد من الشركات في التحول إلى منتجات متوسطة إلى عالية الجودة ذات قيمة أعلى.
ميزة الصناعة 1: تعتمد صناعة أشباه موصلات الطاقة بشكل عام وضع IDM ، وهو أكثر ملاءمة للمؤسسات لتصبح أكبر وأقوى. على الرغم من أن شركات الركيزة و epitaxy يمكن أن تصبح جزءًا منفصلًا ، ويجب دمج إجراءات تصميم وتصنيع الرقائق ، وإلا ستفقد القدرة على تحقيق التقدم التكنولوجي وستكون الطاقة الإنتاجية محدودة. لذلك ، لا يمكن استخدام الاستعانة بمصادر خارجية إلا كمكمل للقدرة الإنتاجية للمنتجات منخفضة الجودة.
ميزة الصناعة 2: تستمر مركبات الطاقة الجديدة والتطبيقات الناشئة الأخرى في تعزيز ظهور مواد أشباه الموصلات الجديدة.
مواد الجيل الرابع لديها القدرة على التعاون مع الجيل الثالث من أشباه الموصلات لاستبدال مواد السيليكون في سيناريوهات التطبيقات عالية الطاقة وعالية التردد. الصناعة بأكملها في المرحلة الأولى من التصنيع.
بناءً على متطلبات الأسواق الناشئة ، مثل مركبات الطاقة الجديدة ، والجيل الخامس ، والشحن السريع ، وأسواق استبدال السيليكون المحتملة ، يعتمد البحث والتصنيع الحالي المتعمق بشكل أساسي على SiC و GaN. احتياطي Ga2O3 الفني ضعيف ، لذلك تواجه الشركات التي لديها مثل هذه التكنولوجيا ضغوطًا تنافسية أقل.
تكمن الصعوبة الأساسية لأشباه الموصلات من الجيل الرابع - أشباه الموصلات من أكسيد الغاليوم في تحضير المواد. سوف تكتسب الاختراقات على الجانب المادي قيمة سوقية كبيرة.
لمزيد من المعلومات ، يرجى الاتصال بنا على البريد الإلكتروني على victorchan@powerwaywafer.com و powerwaymaterial@gmail.com.