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. Den Generational Change af Shalvleder Mluftveje

Først og fremmest skal vi kende situationen for hver generation af halvledere:

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.

Andengenerations halvledermaterialer refererer hovedsageligt til sammensatte halvledermaterialer, såsom galliumarsenid (GaAs) og indiumphosphid (InP), og inkluderer også ternære sammensatte halvledere, såsom GaAsAl, GaAsP, og nogle halvledere med fast opløsning, såsom Ge Si, GaAs-GaP, glas halvledere (også kaldet amorfe halvledere), amorf silicium, glasagtige oxid halvledere, organiske halvledere, som phthalocyanin, kobber phthalocyanin, polyacrylonitril osv.

Tredjegenerations halvledermaterialer henviser til bredspaltede halvledermaterialer repræsenteret afsiliciumcarbid (SiC),galliumnitrid (GaN)og zinkoxid (ZnO). I henhold til udviklingen af ​​tredje generation af halvledere er dens vigtigste anvendelser halvlederbelysning, strømelektroniske enheder, lasere og detektorer og de andre fire felter. Halvledere med bred båndgap er stadig i laboratorieforsknings- og udviklingsfasen.

Den fjerde generation af halvledermaterialer er hovedsageligt halvledermaterialer med ultrabredt bånd (UWBG), repræsenteret af diamant (C), galliumoxid (Ga2O3) halvleder og aluminiumnitrid (AlN) med et båndgab over 4eV og ultra- smalle båndgab (UNBG) halvledermaterialer. Antimonide (GaSb, InSb) er det repræsentative halvledermateriale med ultra-small band gap (UNBG). I applikationen vil det ultrabrede Ga2O3-båndgabmateriale overlappe med tredjegenerationsmaterialet, hvilket hovedsageligt har mere fremtrædende karakteristiske fordele inden for kraftenheder; mens det på grund af let excitation og høj mobilitet af det ultra-smalle båndgabmateriale, bruges det hovedsageligt til detektorer og lasere.

2.Karakteristika af galliumoxidSemiconductor

Galliumoxid er et oxid af metallisk gallium, og det er også en halvlederforbindelse. Det har 5 bekræftede krystallinske former, α, β, γ, δ og ε. Indtil nu er β-fasen den mest stabile blandt dem. Tag galliumoxid halvledermaterialer produceret af PAM-XIAMEN som et eksempel i den følgende del.

De fleste af branchens forskningsrapporter relateret til galliumoxid (Ga2O3) krystalvækst og Ga2O3-egenskaber i fysik bruger β-fasen, og β-fasen bruges også i vid udstrækning til indenlandsk forskning og udvikling. Β-fasen har en enkelt Ga2O3-krystalstruktur kaldet "β-gallia". Båndgabet i β-fasen er meget stort og når 4,8 til 4,9 eV, hvilket er mere end 4 gange det for Si, og overstiger også 3,3 eV af SiC og 3,4 eV af GaN (tabel 1 er vist nedenfor). Under normale omstændigheder er galliumoxidbåndgabet stort, og fordelingen af ​​det elektriske feltstyrke vil være stor. Ga2O3-nedbrydningsfeltstyrken for β-fasen estimeres til at være ca. 8MV / cm, hvilket er mere end 20 gange den for Si, hvilket svarer til mere end det dobbelte af SiC og GaN. På nuværende tidspunkt har forskningsinstitutioner faktisk lavet 6,8MV / cm-enheder.

Materiale	Bandgap / eV	Smeltepunkt / ℃	Elektronmobilitet （cm2 * V-1 * s-1）	Elektronmætningshastighed / （107 cm * s-1）	Elektrisk feltafbrydelse / （108 V * m-1）	Dielektrisk konstant	Varmeledningsevne （W * cm-1 * K-1）	Ballyga fortjeneste
Si	1.1	1410	1400	1	0.3	11.8	1.5	1
GaAs	1.4	1238	8000	2	0.4	12.9	0.55	5
4H-SiC	3.3	>2700	550	2	2.5	9.7	2.7	340
GAN	3.39	1700	600	2	3.3	9	2.1	870
Diamant	5.5	3800	2200	3	10	5.5	22	24664
Galliumoxid	4.8-4.9	1740	300	2.42	8	10	0.27	3444
Bor nitrid	6	>2937	-1500	1.9	-8	7.1	13	12224

 

Mens β-fasen har fremragende fysiske egenskaber, har den lav mobilitet og termisk ledningsevne, hvilket er svært ved fremstilling af p-type halvledere, hvilket er ringere end SiC og GaN. Nuværende forskning viser imidlertid, at disse aspekter ikke vil have stor indflydelse på egenskaberne ved effektkomponenter, fordi ydeevnen for kraftenheder i vid udstrækning afhænger af styrken af ​​det elektriske felt for nedbrydning. Hvad angår β-fasen, er "Baligas fortjensttal" som en indikator med lavt tab proportional med den 3. effekt af nedbrydningen af ​​det elektriske feltstyrke og proportional med den første effekt af mobiliteten.

Baliga-præstationsindekset blev foreslået af Mr. Jayant Baliga, som i mange år havde været involveret i magt halvlederforskning og -udvikling hos General Electric i USA. Det bruges til evaluering af ydeevne af Unipolar Devices, som Power MOSFETs. Der er "BFOM (Baligas fortjenstfigur)", som kvantificerer det teoretiske tab af lav frekvens, og "BHFFOM (Baligas højfrekvente fortjenststal)", som kvantificerer det teoretiske tab af høj frekvens. Inden for F & U-styring af halvleder anvendes lavfrekvent BFOM i vid udstrækning.

Sammenligning af egenskaberne ved kraftige halvledermaterialer og komponenter
	Silicon	4H-SiC	GAN	β-Ga203
Højspændingskomponenter	Masseproduktion	Masseproduktion	Under udvikling	Forskningsfase
Medium modstå spændingskomponenter	Masseproduktion	Masseproduktion	Masseproduktion	Udviklingsstadium
ON-modstand af elementet	En anelse højere	Lav	Lav	Meget lav
Indeks for lavt frekvenstab (relativ værdi for BFOM)	1	500	900	3.000 (Meget høj)
Opdelingsfeltstyrke (MV / cm)	0.3	2.8	3.5	8 (Anslået værdi)
Varmeledningsevne (W / (cm * K))	1.5	4.9	2	0,1-0,3 (lav)
Substrat (wafer) omkostninger	Ekstremt lav	Høj	Meget højt (GaN-substrat)	Lav (forskningsfase)
Band Cap （Ev）	1.1	3.3	3.4	4.8-4.9
Lodret element	Masseproduktion	Masseproduktion	Under udvikling (Lidt vanskeligt)	Udviklingsfase (meget sandsynligt)

• β-Ga203_{materiale er fra Xiamen Powerway Advanced Material Co., Ltd. (PAM-XIAMEN)}

På grund af den høje Balijia-fortjeneste for β-fase er komponentens on-modstand meget lavere end for SiC eller GaN, når der fremstilles unipolære kraftenheder med samme modstandsspænding. Eksperimentelle data viser, at reduktion af modstanden er gavnlig for at reducere effekttabet for strømkredsen, når det er tændt. Brug af β-fase strøm Ga2O3-enheder kan ikke kun reducere strømtabet under tænding, men også reducere tabet under skift, fordi unipolære komponenter kan bruges i applikationer med høj modstandsspænding over 1 kV. β-Ga2O3 er velegnet til bredbånds-elektronik og optoelektronik.

For eksempel er der en unipolær transistor (MOSFET), der bruger en beskyttende film til at reducere koncentrationen af ​​det elektriske felt til porten, og dens modstandsspænding kan nå 3k til 4kV. Hvis der anvendes silicium, skal der anvendes et bipolært element, når modstandsspændingen er 1 kV. Selvom der anvendes SiC med en højere modstandsspænding, skal der anvendes et bipolært element, når modstandsspændingen er 4kV. Bipolære enheder bruger elektroner og huller som bærere. Sammenlignet med unipolære enheder, der kun bruger elektroner som bærere, vil generering og forsvinden af ​​bærere i kanalen være dyr tid under tænd / sluk-koblingsoperationer. Tabet har tendens til at være stort.

Med hensyn til varmeledningsevne for galliumoxid, hvis denne parameter er lav, er det vanskeligt for kraftenheder at arbejde ved høje temperaturer. Imidlertid overgår arbejdstemperaturen i praksis generelt ikke 250 ° C, så der vil ikke være nogen effekt på operationen under anvendelse. Da den varmebestandige temperatur på emballagematerialer, ledninger, lodde og forseglingsharpiks, der anvendes i moduler og strømkredse indkapslet med strømforsyningsenheder, ikke er mere end 250 ° C, bør driftstemperaturen for strømforsyningsenheder også kontrolleres under dette niveau.

Fra et andet perspektiv har det nemme at fremstille naturlige substrat, styringen af ​​bærerkoncentration og den iboende termiske stabilitet også fremmet udviklingen af ​​galliumoxidindretninger. Relaterede papirer udtrykt, når Ga2O3 substrater dopet N-type med Si eller Sn, kan der opnås god kontrollerbarhed.

Selvom nogle UWBG-halvledere (såsom aluminiumnitrid AlN, kubisk bornitrid c-BN og diamant) har flere fordele end galliumoxid-halvleder i BFOM-diagrammet, er deres materialeforberedelse og bearbejdning af enheder strengt begrænset. Med andre ord mangler AlN, c-BN og diamant stadig teknologiakkumulering til stor industrialisering.

Relevante statistikker viser, at tabet af galliumoxid halvleder teoretisk er 1/3.000 silicium, 1/6 siliciumcarbid og 1/3 galliumnitrid. For at reducere tabet med 86%. Mennesker i branchen har høje forventninger til dens fremtid. Og omkostninger er en anden vigtig faktor for at tiltrække industriens opmærksomhed

PVT-metoden bruges ofte til produktion af SiC-ingots. Det faste SiC opvarmes til 2500 ° C til sublimering og omkrystalliseres derefter på en SiC-frøkrystal af høj kvalitet med en lidt lavere temperatur. Kernevanskelighederne er:

1) Opvarmningstemperaturen er så høj som 2500 ℃, og SiC-vækstraten er meget langsom (<1 mm / h);

2) Størrelsen på den voksede krystalstav er meget kortere end Si;

3) Kravene til frøkrystallen er meget høje, og den skal have karakteristika af høj kvalitet og i overensstemmelse med den krævede krystaldiameter;

4) Hårdheden af ​​SiC-ingot er relativt høj, og det er svært at behandle og polere;

Baseret på SiC-substrater bruges kemisk dampaflejring (CVD) almindeligvis til at opnå epitaksiale lag af høj kvalitet, og derefter fremstilles kraftenheder på de epitaksiale lag. SiC-substratskiven har en højere defektdensitet end Si, hvilket yderligere vil interferere med væksten af ​​det epitaksiale lag. Selve det epitaksiale lag vil også producere krystallinske defekter, som vil påvirke ydeevnen for efterfølgende enheder.

Ga2O3 kan, ligesom safir, omdannes fra en opløsningstilstand til en bulk (bulk) enkeltkrystaltilstand. Faktisk har Japan NCT ved at bruge den samme styrede skimmelmetode EFG (Edge-defined Film-fed Growth) som safirproduktionsteknologi forsøgt at producere galliumoxidskive med en maksimal diameter på 150 mm (150 mm) og en en diameter på 50 mm vafler er blevet solgt til forsknings- og udviklingsformål. Denne proces er kendetegnet ved højt udbytte, lave omkostninger, hurtig vækstrate og stor vækstkrystalstørrelse.

Den "forstøvningsmetode", der anvendes af Flosfia, har produceret 4-tommer (100 mm) α-fase Ga2O3-wafer, og prisen er tæt på silicium. Men siliciumcarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN) materialer kan kun fremstilles ved "gasfasemetoden" i dag, og fremtidige omkostninger vil holde sig høje på grund af de høje omkostninger ved substratet. For galliumoxid halvleder sammenlignet med de nuværende SiC- og GaN-teknologier med stort båndgab, vil høj kvalitet og stor størrelse naturlig galliumoxid tynd film have unikke og betydelige omkostningsfordele.

3. Aktuel Status af Rsøgning og Dindhylning og Industrialisering af Gallium Oxide

Fordi det har så mange fordele, betragtes galliumoxid som en teknologi med bredere udsigter end galliumnitrid.

SiC eller GaN. Fra perspektivet af arbejdsdeling i den industrielle kæde har Cree, Rohm og ST allerede dannet et lodret forsyningssystem af SiC-substrat → epitaxy → enhed → modul. Producenter, såsom Infineon, Bosch, OnSemi osv., Køber substrater og udfører derefter Ga2O3 epitaxial vækst alene og fremstiller enheder og moduler.

Med hensyn til digitale maskiner som elektriske køretøjer og "billige" husholdningsapparater, der har strenge omkostningskrav, selvom siliciumcarbid og galliumnitrid har fremragende ydeevne, kan producenter næppe acceptere deres priser. Omkostningsproblemer forhindrer industrien i at vedtage nye halvledermaterialer. FLOSFIAs "Spray Drying Method" (MistDry) opløser først galliumoxid i en opløsning blandet med snesevis af formler og sprøjter derefter opløsningen på safirunderlaget i en tågeform. Galliumoxidkrystaller blev dannet, inden opløsningen på safirsubstratet tørrer. På denne måde opnås den tynde Ga2O3-film direkte fra flydende tilstand uden et ultra-rent miljø ved høj temperatur, der fremstiller Ga2O3-wafer til en ekstremt lav pris.

Denne form for opløsning er flydende ved stuetemperatur, og fordampningstemperaturen behøver ikke at nå 1.500 grader, et par hundrede grader er nok; og miljøet til fremstilling af krystaller er i stuetemperaturluft uden høje omkostningsprocedurer. Hvis lille størrelse overvejes, er det muligt, at der kan fremstilles en halvleder med samme pris og bedre ydelse end silicium.

På grund af materialegenskaber mener nogle eksperter, at galliumoxid halvleder ikke kan bruges til at fremstille P-type halvledere. Imidlertid udviklede Shizuo Fujita fra Kyoto University og Flosfia med succes en G2aO3-enhed, der normalt er slukket transistor (MOSFET) med en safirstruktur i 2016. Når galliumoxidmateriale erstatter det i øjeblikket udbredte siliciummateriale, reducerer det 14,4 millioner tons kuldioxidemissioner hvert år.

4. Industriens egenskaber ved kraftige halvledere er velegnede til eksplosiv vækst af Galliumoxid-enheder

Effekt halvledere anvendes i alle kraftelektronikfelter, og markedet er modent og stabilt med langsom vækst. Imidlertid forfølger industrien altid højere effekt (hurtigere opladning og afladning), mere effektiv energibesparelse (reduceret varme, sikrere og miljøvenlig), mindre størrelse og vægt (mere bærbar og lettere at installere og vedligeholde) og lavere omkostninger (bredere Ga2O3 applikationer og markeder). Derfor har nye applikationsfelter, såsom nye energibiler, produktion af vedvarende energi, frekvensomformer til husholdningsapparater og hurtig opladning, de seneste år indvarslet en ny enorm vækst.

①Industriel funktion 1: Det er ikke nødvendigt at indhente Moores lov. Generelt kan der anvendes 0,18 ~ 0,5 um fremstillingsproces. Den er afhængig af materialekvaliteten og har høje krav til produktionsprocessen for materialer og enheder. På grund af den overordnede tendens mod integration og modularisering skal der udvikles nye emballagedesign.

Designprocedure: Effekthalvlederkredsløbet har en enkel struktur og behøver ikke at investere meget kapital i arkitektur, IP, instruktionssæt, designproces, softwareværktøjer osv.

Fremstilling: Fordi der ikke er behov for at indhente Moores lov, er produktionslinjen ikke meget afhængig af avanceret udstyr, og de samlede kapitaludgifter er små.

Emballage: Den kan opdeles i diskret enhedsemballage og modulemballage. Da kraftenheder har meget høje pålidelighedskrav, kræves specielle designs og materialer, og værdien af ​​efterfølgende behandling tegner sig for mere end 35%, hvilket er meget højere end 10% af almindelige digitale logiske chips. I øjeblikket begynder mange virksomheder ifølge forskningsprojekterne og produktlayoutet at omdanne til mellem-til-high-end produkter med højere værdi.

②Industriegenskab 1: Krafthalvlederindustrien vedtager generelt IDM-tilstand, som er mere egnet til virksomheder at blive større og stærkere. Selvom substrat- og epitaxy-virksomhederne kan blive separate dele, og chipdesign og fremstillingsprocedurer skal integreres, ellers vil evnen til at gøre teknologiske fremskridt gå tabt, og produktionskapaciteten vil være begrænset. Derfor kan outsourcing kun bruges som et supplement til produktionskapaciteten for low-end produkter.

Industriel funktion 2: Nye energibiler og andre nye applikationer fremmer fortsat fremkomsten af ​​nye halvledermaterialer.

Fjerde generations materialer har potentialet til at samarbejde med tredjegenerations halvledere for at erstatte siliciummaterialer i applikationer med høj effekt og høj frekvens. Hele branchen er i den indledende fase af industrialiseringen.

Drevet af nye markedskrav, som nye energibiler, 5G, hurtig opladning og potentielle siliciumudskiftningsmarkeder, er den nuværende dybtgående forskning og industrialisering hovedsagelig baseret på SiC og GaN. Den tekniske reserve af Ga2O3 er svag, så virksomheder med en sådan teknologi står over for mindre konkurrencepres.

Kernevanskeligheden ved fjerde generation halvleder - galliumoxid halvleder ligger i fremstillingen af ​​materialer. Gennembrud på den materielle side vil få stor markedsværdi.

For mere information, kontakt os venligst e-mail på victorchan@powerwaywafer.com og powerwaymaterial@gmail.com.