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. Die Generational Change von SEmiconductor MAterials

Zunächst müssen wir die Situation jeder Halbleitergeneration kennen:

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.

Die Halbleitermaterialien der zweiten Generation beziehen sich hauptsächlich auf Verbindungshalbleitermaterialien wie Galliumarsenid (GaAs) und Indiumphosphid (InP) und umfassen auch ternäre Verbindungshalbleiter wie GaAsAl, GaAsP und einige Halbleiter mit fester Lösung wie Ge- Si, GaAs-GaP, Glashalbleiter (auch als amorphe Halbleiter bezeichnet), amorphes Silizium, Glasoxidhalbleiter, organische Halbleiter wie Phthalocyanin, Kupferphthalocyanin, Polyacrylnitril usw.

Die Halbleitermaterialien der dritten Generation beziehen sich auf Halbleitermaterialien mit großer Lücke, dargestellt durchSiliciumcarbid (SiC),Galliumnitrid (GaN)und Zinkoxid (ZnO). In Bezug auf die Anwendung sind gemäß der Entwicklung von Halbleitern der dritten Generation die Hauptanwendungen Halbleiterbeleuchtung, leistungselektronische Geräte, Laser und Detektoren sowie die anderen vier Bereiche. Halbleiter mit großer Bandlücke befinden sich noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase des Labors.

Die Halbleitermaterialien der vierten Generation sind hauptsächlich Halbleitermaterialien mit extrem breiter Bandlücke (UWBG), dargestellt durch Diamant (C), Galliumoxid (Ga2O3) -Halbleiter und Aluminiumnitrid (AlN) mit einer Bandlücke von mehr als 4 eV und Ultra- Halbleitermaterialien mit schmaler Bandlücke (UNBG). Antimonid (GaSb, InSb) ist das repräsentative Halbleitermaterial mit extrem schmaler Bandlücke (UNBG). In der Anwendung überlappt sich das ultra-breite Ga2O3-Bandlückenmaterial mit dem Material der dritten Generation, das hauptsächlich auf dem Gebiet der Leistungsbauelemente deutlichere charakteristische Vorteile aufweist. Aufgrund der leichten Anregung und der hohen Beweglichkeit des Materials mit extrem schmaler Bandlücke wird es hauptsächlich für Detektoren und Laser verwendet.

2.Die Eigenschaften von GalliumoxidHalbleiter

Galliumoxid ist ein Oxid von metallischem Gallium und es ist auch eine Halbleiterverbindung. Es hat 5 bestätigte kristalline Formen, α, β, γ, δ und ε. Unter diesen ist bisher die β-Phase am stabilsten. Nehmen Sie als Beispiel die von PAM-XIAMEN hergestellten Galliumoxid-Halbleitermaterialien im folgenden Teil.

Die meisten Forschungsberichte der Industrie, die sich auf das Wachstum von Galliumoxid (Ga2O3) -Kristallen und die Ga2O3-Eigenschaften in der Physik beziehen, verwenden die β-Phase, und die β-Phase wird auch in der heimischen Forschung und Entwicklung häufig verwendet. Die β-Phase hat eine einzelne Ga2O3-Kristallstruktur, die als "β-Gallia" bezeichnet wird. Die Bandlücke der β-Phase ist sehr groß und erreicht 4,8 bis 4,9 eV, was mehr als dem Vierfachen von Si entspricht, und übersteigt auch die 3,3 eV von SiC und 3,4 eV von GaN (Tabelle 1 ist unten gezeigt). Unter normalen Umständen ist die Galliumoxidbandlücke groß und die elektrische Durchschlagfeldstärke ist groß. Die Ga2O3-Durchbruchfeldstärke der β-Phase wird auf etwa 8 MV / cm geschätzt, was mehr als dem 20-fachen von Si entspricht, was mehr als dem Doppelten von SiC und GaN entspricht. Derzeit haben Forschungseinrichtungen tatsächlich Geräte mit 6,8 MV / cm hergestellt.

Material	Bandlücke / eV	Schmelzpunkt / ℃	Elektronenmobilität （cm2 * V-1 * s-1）	Elektronensättigungsgeschwindigkeit / （107 cm * s-1）	Elektrisches Durchschlagfeld / （108 V * m-1）	Dielektrizitätskonstante	Wärmeleitfähigkeit （W * cm-1 * K-1）	Ballyga Verdienst
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
Bornitrid	6	>2937	-1500	1.9	-8	7.1	13	12224

 

Während die β-Phase ausgezeichnete physikalische Eigenschaften aufweist, weist sie eine geringe Mobilität und Wärmeleitfähigkeit auf, was bei der Herstellung von Halbleitern vom p-Typ schwierig ist, was SiC und GaN unterlegen ist. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen jedoch, dass diese Aspekte keinen großen Einfluss auf die Eigenschaften von Leistungskomponenten haben werden, da die Leistung von Leistungsgeräten weitgehend von der Stärke des elektrischen Durchbruchfeldes abhängt. Für die β-Phase ist die „Baliga-Gütezahl“ als verlustarmer Indikator proportional zur 3. Potenz der elektrischen Durchschlagfeldstärke und proportional zur 1. Potenz der Mobilität.

Der Baliga-Leistungsindex wurde von Herrn Jayant Baliga vorgeschlagen, der seit vielen Jahren bei General Electric in den USA in der Forschung und Entwicklung von Leistungshalbleitern tätig ist. Es wird zur Leistungsbewertung von unipolaren Geräten wie Leistungs-MOSFETs verwendet. Es gibt "BFOM (Baliga`s Figure of Merits)", das den theoretischen Verlust an Niederfrequenz quantifiziert, und "BHFFOM (Baliga`s High Frequency Figure of Merits)", das den theoretischen Verlust an Hochfrequenz quantifiziert. Auf dem Gebiet der Forschung und Entwicklung von Leistungshalbleitern ist Niederfrequenz-BFOM weit verbreitet.

Vergleich der Eigenschaften von Leistungshalbleitermaterialien und -komponenten
	Silizium	4H-SiC	GaN	β-Ga2O3
Hochspannungskomponenten	Massenproduktion	Massenproduktion	In Entwicklung	Forschungsphase
Spannungskomponenten mit mittlerer Beständigkeit	Massenproduktion	Massenproduktion	Massenproduktion	Entwicklungsstadium
EIN Widerstand des Elements	Etwas höher	Niedrig	Niedrig	Sehr niedrig
Niederfrequenz-Verlustleistungsindex (relativer Wert von BFOM)	1	500	900	3.000 (sehr hoch)
Durchschlagfeldstärke (MV / cm)	0.3	2.8	3.5	8 (Geschätzter Wert)
Wärmeleitfähigkeit (W / (cm * K))	1.5	4.9	2	0,1-0,3 (niedrig)
Substratkosten (Wafer)	Extrem niedrig	Hoch	Sehr hoch (GaN-Substrat)	Niedrig (Forschungsstadium)
Bandkappe （Ev）	1.1	3.3	3.4	4.8-4.9
Vertikales Element	Massenproduktion	Massenproduktion	In Entwicklung (etwas schwierig)	Entwicklungsphase (sehr wahrscheinlich)

• β-Ga2O3_{Das Material stammt von Xiamen Powerway Advanced Material Co., Ltd. (PAM-XIAMEN).}

Aufgrund der hohen Balijia-Gütezahl der β-Phase ist bei der Herstellung von unipolaren Leistungsbauelementen mit derselben Spannungsfestigkeit der Einschaltwiderstand der Komponente viel geringer als der von SiC oder GaN. Experimentelle Daten zeigen, dass das Verringern des Einschaltwiderstands vorteilhaft ist, um den Leistungsverlust des Stromkreises beim Einschalten zu verringern. Die Verwendung von Ga2O3-Bauelementen mit β-Phasenleistung kann nicht nur den Leistungsverlust beim Einschalten, sondern auch den Verlust beim Schalten verringern, da unipolare Komponenten in Anwendungen mit hoher Spannungsfestigkeit über 1 kV verwendet werden können. β-Ga2O3 eignet sich für Elektronik und Optoelektronik mit großer Bandlücke.

Zum Beispiel gibt es einen unipolaren Transistor (MOSFET), der einen Schutzfilm verwendet, um die Konzentration des elektrischen Feldes zum Gate zu verringern, und dessen Widerstandsspannung 3 k bis 4 kV erreichen kann. Wenn Silizium verwendet wird, muss ein bipolares Element verwendet werden, wenn die Spannungsfestigkeit 1 kV beträgt. Selbst wenn SiC mit einer höheren Widerstandsspannung verwendet wird, muss ein bipolares Element verwendet werden, wenn die Widerstandsspannung 4 kV beträgt. Bipolare Geräte verwenden Elektronen und Löcher als Träger. Im Vergleich zu unipolaren Vorrichtungen, die nur Elektronen als Träger verwenden, ist die Erzeugung und das Verschwinden von Ladungsträgern im Kanal während des Ein- und Ausschaltens kostspielig. Der Verlust ist tendenziell groß.

In Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit von Galliumoxid ist es für Leistungsgeräte schwierig, bei hohen Temperaturen zu arbeiten, wenn dieser Parameter niedrig ist. In der Praxis überschreitet die Betriebstemperatur jedoch im Allgemeinen nicht 250 ° C, so dass keine Auswirkungen auf den Betrieb in der Anwendung auftreten. Da die hitzebeständige Temperatur von Verpackungsmaterialien, Kabeln, Lötmitteln und Dichtungsharzen, die in Modulen und Stromkreisen verwendet werden, die mit Stromversorgungsgeräten gekapselt sind, nicht mehr als 250 ° C beträgt, sollte auch die Betriebstemperatur von Stromversorgungsgeräten unter diesen Wert geregelt werden.

Aus einer anderen Perspektive haben das einfach herzustellende natürliche Substrat, die Kontrolle der Trägerkonzentration und die inhärente thermische Stabilität auch die Entwicklung von Galliumoxidvorrichtungen gefördert. Verwandte Artikel ausgedrückt, wenn Ga2O3-SubstratIst der N-Typ mit Si oder Sn dotiert, kann eine gute Steuerbarkeit erreicht werden.

Obwohl einige UWBG-Halbleiter (wie Aluminiumnitrid AlN, kubisches Bornitrid c-BN und Diamant) im BFOM-Diagramm mehr Vorteile als Galliumoxidhalbleiter haben, sind ihre Materialvorbereitung und Vorrichtungsverarbeitung streng begrenzt. Mit anderen Worten, AlN, c-BN und Diamant haben immer noch keine Technologie-Akkumulation für eine groß angelegte Industrialisierung.

Relevante Statistiken zeigen, dass der Verlust an Galliumoxid-Halbleiter theoretisch 1 / 3.000 Silizium, 1/6 Siliziumkarbid und 1/3 Galliumnitrid beträgt. Um den Verlust um 86% zu reduzieren. Die Menschen in der Branche haben hohe Erwartungen an ihre Zukunft. Und die Kosten sind ein weiterer wichtiger Faktor, um die Aufmerksamkeit der Industrie auf sich zu ziehen

Das PVT-Verfahren wird üblicherweise bei der Herstellung von SiC-Barren verwendet. Das feste SiC wird zur Sublimation auf 2500 ° C erhitzt und dann auf einem hochwertigen SiC-Impfkristall mit einer etwas niedrigeren Temperatur umkristallisiert. Die Kernschwierigkeiten sind:

1) Die Erwärmungstemperatur beträgt bis zu 2500 ° C und die SiC-Wachstumsrate ist sehr langsam (<1 mm / h);

2) Die Größe des gewachsenen Kristallbarrens ist viel kürzer als die von Si;

3) Die Anforderungen an den Impfkristall sind sehr hoch und er muss die Eigenschaften von hoher Qualität aufweisen und mit dem erforderlichen Kristalldurchmesser übereinstimmen.

4) Die Härte des SiC-Blocks ist relativ hoch und es ist schwierig zu verarbeiten und zu polieren;

Basierend auf SiC-Substraten wird üblicherweise die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) verwendet, um hochwertige Epitaxieschichten zu erhalten, und dann werden Leistungsvorrichtungen auf den Epitaxieschichten hergestellt. Der SiC-Substratwafer hat eine höhere Defektdichte als Si, was das Wachstum der Epitaxieschicht weiter stört. Die Epitaxieschicht selbst erzeugt auch kristalline Defekte, die die Leistung nachfolgender Vorrichtungen beeinträchtigen.

Ga2O3 kann wie Saphir von einem Lösungszustand in einen Bulk-Einkristallzustand (Bulk) umgewandelt werden. Tatsächlich hat Japan NCT unter Verwendung des gleichen geführten Formverfahrens EFG (Edge-Defined Film-Feed Growth) wie die Saphirwafer-Produktionstechnologie versucht, Galliumoxid-Wafer mit einem maximalen Durchmesser von 150 mm (6 Zoll) und a herzustellen Wafer mit einem Durchmesser von 50 mm (2 Zoll) wurden zu Forschungs- und Entwicklungszwecken verkauft. Dieses Verfahren zeichnet sich durch hohe Ausbeute, niedrige Kosten, schnelle Wachstumsrate und große Wachstumskristallgröße aus.

Das von Flosfia verwendete "Zerstäubungsverfahren" hat einen 4-Zoll- (100 mm) α-Phasen-Ga2O3-Wafer hergestellt, und die Kosten liegen nahe an denen von Silizium. Siliziumkarbid- (SiC) und Galliumnitrid- (GaN) Materialien können heutzutage jedoch nur nach der „Gasphasenmethode“ hergestellt werden, und die zukünftigen Kosten werden aufgrund der hohen Kosten des Substrats hoch bleiben. Für Galliumoxid-Halbleiter hat ein hochwertiger und großer natürlicher Galliumoxid-Dünnfilm im Vergleich zu den derzeitigen SiC- und GaN-Technologien mit großer Bandlücke einzigartige und signifikante Kostenvorteile.

3. Strom Status von Research und DEntwicklung und IIndustrialisierung von GLauch Oxide

Aufgrund seiner vielen Vorteile wird Galliumoxid als eine Technologie mit breiteren Perspektiven als Galliumnitrid angesehen.

SiC oder GaN. Aus Sicht der Arbeitsteilung in der Industriekette haben Cree, Rohm und ST bereits ein vertikales Versorgungssystem aus SiC-Substrat → Epitaxie → Gerät → Modul gebildet. Hersteller wie Infineon, Bosch, OnSemi usw. kaufen Substrate, führen dann selbst ein epitaktisches Ga2O3-Wachstum durch und stellen Geräte und Module her.

In Bezug auf digitale Maschinen wie Elektrofahrzeuge und „billige“ Haushaltsgeräte mit strengen Kostenanforderungen können Hersteller ihre Preise kaum akzeptieren, selbst wenn Siliziumkarbid und Galliumnitrid eine hervorragende Leistung aufweisen. Kostenprobleme hindern die Industrie daran, neue Halbleitermaterialien einzuführen. Die „Sprühtrocknungsmethode“ (MistDry) von FLOSFIA löst zuerst Galliumoxid in einer Lösung, die mit Dutzenden von Formeln gemischt ist, und sprüht dann die Lösung in Nebelform auf das Saphirsubstrat. Galliumoxidkristalle wurden gebildet, bevor die Lösung auf dem Saphirsubstrat trocknet. Auf diese Weise wird der Ga2O3-Dünnfilm direkt aus dem flüssigen Zustand ohne eine ultrareine Hochtemperaturumgebung erhalten, wobei ein Ga2O3-Wafer zu extrem niedrigen Kosten hergestellt wird.

Diese Art von Lösung ist bei Raumtemperatur flüssig und die Verdampfungstemperatur muss nicht 1.500 Grad erreichen, ein paar hundert Grad sind ausreichend; und die Umgebung zur Herstellung von Kristallen befindet sich in Luft mit Raumtemperatur ohne kostspielige Verfahren. Wenn eine geringe Größe berücksichtigt wird, ist es möglich, dass ein Halbleiter mit dem gleichen Preis und einer besseren Leistung als Silizium hergestellt werden kann.

Aufgrund der Materialeigenschaften glauben einige Experten, dass Galliumoxid-Halbleiter nicht zur Herstellung von P-Halbleitern verwendet werden können. Shizuo Fujita von der Universität Kyoto und Flosfia hat jedoch 2016 erfolgreich einen G2aO3-Normaltransistor (MOSFET) mit Saphirstruktur entwickelt. Sobald Galliumoxidmaterial das derzeit weit verbreitete Siliziummaterial ersetzt, werden 14,4 Millionen Tonnen Kohlendioxidemissionen reduziert jedes Jahr.

4. Die Brancheneigenschaften von Leistungshalbleitern eignen sich für das explosive Wachstum von Galliumoxid-Bauelementen

Leistungshalbleiter werden in allen Bereichen der Leistungselektronik eingesetzt, und der Markt ist ausgereift und stabil mit langsamem Wachstum. Die Industrie strebt jedoch immer nach höherer Leistung (schnelleres Laden und Entladen), effizienterer Energieeinsparung (reduzierte Wärme, sicherer und umweltfreundlicher), geringerer Größe und geringerem Gewicht (tragbarer und einfacher zu installieren und zu warten) und niedrigeren Kosten (breiteres Ga2O3) Anwendungen und Märkte). Daher haben in den letzten Jahren neue Anwendungsbereiche wie neue Energiefahrzeuge, Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien, Frequenzumwandlungs-Haushaltsgeräte und schnelles Laden ein neues enormes Wachstum eingeleitet.

①Industrie-Feature 1: Es besteht keine Notwendigkeit, das Mooresche Gesetz einzuholen. Im Allgemeinen kann ein Herstellungsverfahren von 0,18 bis 0,5 um verwendet werden. Es basiert auf der Qualität der Materialien und stellt hohe Anforderungen an den Produktionsprozess von Materialien und Geräten. Aufgrund des allgemeinen Trends zur Integration und Modularisierung müssen neue Verpackungsdesigns entwickelt werden.

Entwurfsverfahren: Die Leistungshalbleiterschaltung hat eine einfache Struktur und muss nicht viel Kapital in Architektur, IP, Befehlssatz, Entwurfsprozess, Softwaretools usw. investieren.

Fertigung: Da das Mooresche Gesetz nicht eingehalten werden muss, ist die Produktionslinie nicht stark von fortschrittlichen Geräten abhängig, und die Gesamtinvestitionen sind gering.

Verpackung: Sie kann in diskrete Geräteverpackungen und Modulverpackungen unterteilt werden. Da Leistungsgeräte sehr hohe Zuverlässigkeitsanforderungen haben, sind spezielle Designs und Materialien erforderlich, und der Wert der nachfolgenden Verarbeitung macht mehr als 35% aus, was viel mehr als 10% der normalen digitalen Logikchips ist. Derzeit beginnen viele Unternehmen gemäß den Forschungsprojekten und dem Produktlayout, sich auf Mid- bis High-End-Produkte mit höherem Wert umzustellen.

②Industriemerkmal 1: Die Leistungshalbleiterindustrie verwendet im Allgemeinen den IDM-Modus, der besser für Unternehmen geeignet ist, um größer und stärker zu werden. Obwohl die Substrat- und Epitaxieunternehmen getrennte Teile werden können und das Chipdesign und die Herstellungsverfahren integriert werden müssen, geht sonst die Fähigkeit zum technologischen Fortschritt verloren und die Produktionskapazität wird begrenzt. Outsourcing kann daher nur als Ergänzung zur Produktionskapazität von Low-End-Produkten eingesetzt werden.

③Industrie-Feature 2: Neue Energiefahrzeuge und andere aufkommende Anwendungen fördern weiterhin den Aufstieg neuer Halbleitermaterialien.

Die Materialien der vierten Generation haben das Potenzial, mit Halbleitern der dritten Generation zusammenzuarbeiten, um Siliziummaterialien in Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungsszenarien zu ersetzen. Die gesamte Branche befindet sich im Anfangsstadium der Industrialisierung.

Angetrieben von den Anforderungen der Schwellenländer wie neuen Energiefahrzeugen, 5G, Schnellladung und potenziellen Siliziumersatzmärkten basiert die derzeitige eingehende Forschung und Industrialisierung hauptsächlich auf SiC und GaN. Die technische Reserve für Ga2O3 ist schwach, sodass Unternehmen mit einer solchen Technologie weniger Wettbewerbsdruck ausgesetzt sind.

Die Kernschwierigkeit des Halbleiters der vierten Generation - Galliumoxid-Halbleiter - liegt in der Herstellung von Materialien. Durchbrüche auf der Materialseite werden einen hohen Marktwert gewinnen.

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