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. El Generational Ccolgar de Semiconductor Mmateriales
En primer lugar, necesitamos conocer la situación de cada generación de semiconductores:
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.
Los materiales semiconductores de segunda generación se refieren principalmente a materiales semiconductores compuestos, como arseniuro de galio (GaAs) y fosfuro de indio (InP), y también incluyen semiconductores compuestos ternarios, como GaAsAl, GaAsP y algunos semiconductores de solución sólida, como Ge- Si, GaAs-GaP, semiconductores de vidrio (también llamados semiconductores amorfos), silicio amorfo, semiconductores de óxido vítreo, semiconductores orgánicos, como ftalocianina, ftalocianina de cobre, poliacrilonitrilo, etc.
Los materiales semiconductores de tercera generación se refieren a materiales semiconductores de amplio espacio, representados porcarburo de silicio (SiC),nitruro de galio (GaN)y óxido de zinc (ZnO). En términos de aplicación, de acuerdo con el desarrollo de semiconductores de tercera generación, sus principales aplicaciones son iluminación de semiconductores, dispositivos electrónicos de potencia, láseres y detectores, y los otros cuatro campos. Los semiconductores de banda ancha aún se encuentran en la etapa de investigación y desarrollo de laboratorio.
Los materiales semiconductores de cuarta generación son principalmente materiales semiconductores de banda ancha ultraancha (UWBG), representados por semiconductores de diamante (C), óxido de galio (Ga2O3) y nitruro de aluminio (AlN), con una banda prohibida superior a 4eV, y ultra- Materiales semiconductores de banda estrecha (UNBG). Antimonide (GaSb, InSb) es el material semiconductor representativo de banda ultra estrecha (UNBG). En la aplicación, el material de banda prohibida de Ga2O3 ultra ancho se superpondrá con el material de tercera generación, que tiene principalmente ventajas características más destacadas en el campo de los dispositivos de potencia; mientras que debido a la fácil excitación y la alta movilidad del material de banda prohibida ultra-estrecha, se utiliza principalmente para detectores y láseres.
2.Las características de óxido de galioSemiconductor
El óxido de galio es un óxido de galio metálico y también es un compuesto semiconductor. Tiene 5 formas cristalinas confirmadas, α, β, γ, δ y ε. Hasta ahora, entre ellos, la fase β es la más estable. Tome los materiales semiconductores de óxido de galio producidos por PAM-XIAMEN como ejemplo en la siguiente parte.
estructura cristalina de óxido de galio en fase β
La mayoría de los informes de investigación de la industria relacionados con el crecimiento de cristales de óxido de galio (Ga2O3) y las propiedades de Ga2O3 en física utilizan la fase β, y la fase β también se usa ampliamente en la investigación y el desarrollo nacionales. La fase β tiene una única estructura cristalina de Ga2O3 llamada "β-galia". La banda prohibida de la fase β es muy grande, alcanzando 4.8 a 4.9 eV, que es más de 4 veces la del Si, y también excede los 3.3 eV de SiC y 3.4 eV de GaN (la Tabla 1 se muestra a continuación). En circunstancias normales, la banda prohibida del óxido de galio es grande y la intensidad del campo eléctrico de ruptura será grande. Se estima que la intensidad del campo de ruptura de Ga2O3 de la fase β es de aproximadamente 8MV / cm, que es más de 20 veces la de Si, lo que equivale a más del doble que la de SiC y GaN. En la actualidad, las instituciones de investigación han fabricado dispositivos de 6,8 MV / cm.
| Materiales | Bandgap / eV | Punto de fusión / ℃ | Movilidad electrónica （cm2 * V-1 * s-1） | Velocidad de saturación de electrones / （107 cm * s-1） | Campo eléctrico de ruptura / （108 V * m-1） | Constante dieléctrica | Conductividad térmica （W * cm-1 * K-1） | Mérito de Ballyga |
| 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 |
| Diamond | 5.5 | 3800 | 2200 | 3 | 10 | 5.5 | 22 | 24664 |
| Óxido de galio | 4.8-4.9 | 1740 | 300 | 2.42 | 8 | 10 | 0.27 | 3444 |
| Nitruro de boro | 6 | >2937 | -1500 | 1.9 | -8 | 7.1 | 13 | 12224 |
Si bien la fase β tiene excelentes propiedades físicas, tiene baja movilidad y conductividad térmica, dificultad en la fabricación de semiconductores tipo p, que es inferior a SiC y GaN. Sin embargo, la investigación actual muestra que estos aspectos no tendrán mucho impacto en las características de los componentes de potencia, porque el rendimiento de los dispositivos de potencia depende en gran medida de la fuerza del campo eléctrico de ruptura. En cuanto a la fase β, la “figura de mérito de Baliga” como indicador de bajas pérdidas es proporcional a la 3ª potencia de la intensidad del campo eléctrico de ruptura y proporcional a la 1ª potencia de la movilidad.
El índice de rendimiento de Baliga fue propuesto por el Sr. Jayant Baliga, quien había estado involucrado en la investigación y el desarrollo de semiconductores de potencia durante muchos años en General Electric en los Estados Unidos. Se utiliza para la evaluación del rendimiento de dispositivos unipolares, como los MOSFET de potencia. Hay “BFOM (Figura de Méritos de Baliga)”, que cuantifica la pérdida teórica de baja frecuencia, y “BHFFOM (Figura de Méritos de Alta Frecuencia de Baliga)”, que cuantifica la pérdida teórica de alta frecuencia. En el campo de la I + D de semiconductores de potencia, el BFOM de baja frecuencia se utiliza ampliamente.
| Comparación de las características de los materiales y componentes semiconductores de potencia | ||||
| Silicio | 4H-SiC | GaN | β-Ga2O3 | |
| Componentes de alto voltaje | Producción en masa | Producción en masa | En desarrollo | Fase de investigación |
| Componentes de tensión soportada media | Producción en masa | Producción en masa | Producción en masa | Etapa de desarrollo |
| ON resistencia del elemento | Ligeramente más alto | Bajo | Bajo | Muy bajo |
| Índice de rendimiento de pérdida de baja frecuencia (valor relativo de BFOM) | 1 | 500 | 900 | 3,000 (Muy alto) |
| Intensidad de campo de ruptura (MV / cm) | 0.3 | 2.8 | 3.5 | 8 (valor estimado) |
| Conductividad térmica (W / (cm * K)) | 1.5 | 4.9 | 2 | 0,1-0,3 (bajo) |
| Costo del sustrato (oblea) | Extremadamente bajo | Alto | Muy alto (sustrato de GaN) | Baja (etapa de investigación) |
| Gorra de banda （Ev） | 1.1 | 3.3 | 3.4 | 4.8-4.9 |
| Elemento vertical | Producción en masa | Producción en masa | En desarrollo (algo difícil) | Fase de desarrollo (muy probable) |
- β-Ga2O3el material es de Xiamen Powerway Advanced Material Co., Ltd. (PAM-XIAMEN)
Debido a la alta figura de mérito de Balijia de la fase β, cuando se fabrican dispositivos de potencia unipolar con el mismo voltaje soportado, la resistencia de encendido del componente es mucho menor que la de SiC o GaN. Los datos experimentales muestran que reducir la resistencia de encendido es beneficioso para reducir la pérdida de energía del circuito de energía cuando está encendido. El uso de dispositivos Ga2O3 de potencia de fase β no solo puede reducir la pérdida de energía durante el encendido, sino también reducir la pérdida durante la conmutación, porque los componentes unipolares se pueden usar en aplicaciones de alto voltaje soportado por encima de 1 kV. β-Ga2O3 es adecuado para electrónica y optoelectrónica de banda ancha.
Por ejemplo, hay un transistor unipolar (MOSFET) que usa una película protectora para reducir la concentración del campo eléctrico en la puerta, y su voltaje soportado puede alcanzar de 3k a 4kV. Si se utiliza silicio, se debe utilizar un elemento bipolar cuando la tensión soportada sea de 1 kV. Incluso si se utiliza SiC con una tensión soportada más alta, se debe utilizar un elemento bipolar cuando la tensión soportada sea de 4 kV. Los dispositivos bipolares utilizan electrones y huecos como portadores. En comparación con los dispositivos unipolares que solo usan electrones como portadores, la generación y desaparición de portadores en el canal será un tiempo costoso durante las operaciones de encendido y apagado. La pérdida tiende a ser grande.
En términos de conductividad térmica del óxido de galio, si este parámetro es bajo, es difícil que los dispositivos eléctricos funcionen a altas temperaturas. Sin embargo, la temperatura de funcionamiento en la práctica generalmente no supera los 250 ° C, por lo que no habrá ningún efecto sobre el funcionamiento en la aplicación. Dado que la temperatura resistente al calor de los materiales de embalaje, cableado, soldadura y resina de sellado utilizados en módulos y circuitos de potencia encapsulados con dispositivos de potencia no supera los 250 ° C, la temperatura de funcionamiento de los dispositivos de potencia también debe controlarse por debajo de este nivel.
Desde otra perspectiva, el sustrato natural fácil de fabricar, el control de la concentración del portador y la estabilidad térmica inherente también han promovido el desarrollo de dispositivos de óxido de galio. Artículos relacionados expresados, cuando Sustrato de Ga2O3está dopado de tipo N con Si o Sn, se puede lograr una buena capacidad de control.
Aunque algunos semiconductores UWBG (como nitruro de aluminio AlN, nitruro de boro cúbico c-BN y diamante) tienen más ventajas que los semiconductores de óxido de galio en la tabla BFOM, su preparación de material y procesamiento de dispositivos están estrictamente limitados. En otras palabras, AlN, c-BN y el diamante todavía carecen de acumulación de tecnología para la industrialización a gran escala.
Comparación de las características de los materiales clave
Las estadísticas relevantes muestran que la pérdida de semiconductor de óxido de galio es teóricamente 1/3000 de silicio, 1/6 de carburo de silicio y 1/3 de nitruro de galio. Para reducir la pérdida en un 86%. La gente de la industria tiene grandes expectativas para su futuro. Y el costo es otro factor importante para atraer la atención de la industria.
El método PVT se usa comúnmente en la producción de lingotes de SiC. El SiC sólido se calienta a 2500 ° C para sublimación y luego se recristaliza en un cristal semilla de SiC de alta calidad con una temperatura ligeramente más baja. Las principales dificultades son:
1) La temperatura de calentamiento es tan alta como 2500 ℃, y la tasa de crecimiento de SiC es muy lenta (<1 mm / h);
2) El tamaño del lingote de cristal desarrollado es mucho más corto que el del Si;
3) Los requisitos para el cristal semilla son muy altos, y debe tener las características de alta calidad y ser consistentes con el diámetro de cristal requerido;
4) La dureza del lingote de SiC es relativamente alta y es difícil de procesar y pulir;
Con base en sustratos de SiC, la deposición química de vapor (CVD) se usa comúnmente para obtener capas epitaxiales de alta calidad, y luego se fabrican dispositivos eléctricos en las capas epitaxiales. La oblea de sustrato de SiC tiene una densidad de defectos más alta que el Si, lo que interferirá aún más con el crecimiento de la capa epitaxial. La propia capa epitaxial también producirá defectos cristalinos, que afectarán el rendimiento de los dispositivos posteriores.
Ga2O3, como el zafiro, se puede transformar de un estado de solución a un estado de cristal único a granel (Bulk). De hecho, utilizando el mismo método de molde guiado EFG (Crecimiento alimentado con película definida por bordes) que la tecnología de producción de obleas de zafiro, Japón NCT ha intentado producir obleas de óxido de galio con un diámetro máximo de 6 pulgadas (150 mm) y un Se han vendido obleas de 50 mm de diámetro con fines de investigación y desarrollo. Este proceso se caracteriza por un alto rendimiento, bajo costo, rápida tasa de crecimiento y gran tamaño de cristal de crecimiento.
El "método de atomización" utilizado por Flosfia ha producido obleas de Ga2O3 de fase α de 4 pulgadas (100 mm), y el costo es cercano al del silicio. Pero los materiales de carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN) solo se pueden preparar por el "método de fase gaseosa" en la actualidad, y los costos futuros se mantendrán altos debido al alto costo del sustrato. Para los semiconductores de óxido de galio, en comparación con las tecnologías actuales de banda ancha de banda ancha SiC y GaN, la película delgada de óxido de galio natural de gran tamaño y alta calidad tendrá ventajas de costo únicas y significativas.
3. Actual Status de Rbuscar y Ddesarrollo y Iindustrialización de Gallium Oxide
Debido a que tiene tantas ventajas, el óxido de galio se considera una tecnología con perspectivas más amplias que el nitruro de galio.
SiC o GaN. Desde la perspectiva de la división del trabajo en la cadena industrial, Cree, Rohm y ST ya han formado un sistema de suministro vertical de sustrato de SiC → epitaxia → dispositivo → módulo. Los fabricantes, como Infineon, Bosch, OnSemi, etc., compran sustratos, luego realizan el crecimiento epitaxial de Ga2O3 por sí mismos y fabrican dispositivos y módulos.
En términos de máquinas digitales como vehículos eléctricos y electrodomésticos "baratos" que tienen requisitos de costos estrictos, incluso si el carburo de silicio y el nitruro de galio tienen un rendimiento excelente, los fabricantes difícilmente pueden aceptar sus precios. Los problemas de costos impiden que la industria adopte nuevos materiales semiconductores. El “Método de secado por atomización” de FLOSFIA (MistDry) primero disuelve el óxido de galio en una solución mezclada con docenas de fórmulas y luego rocía la solución sobre el sustrato de zafiro en forma de niebla. Se formaron cristales de óxido de galio antes de que se seque la solución sobre el sustrato de zafiro. De esta manera, la película delgada de Ga2O3 se obtiene directamente del estado líquido, sin un ambiente ultralimpio de alta temperatura, fabricación de oblea de Ga2O3 a un costo ultra bajo.
Este tipo de solución es líquida a temperatura ambiente, y la temperatura de evaporación no necesita alcanzar los 1.500 grados, basta con unos pocos cientos de grados; y el entorno para hacer cristales es aire a temperatura ambiente sin ningún procedimiento de alto costo. Si se considera un tamaño pequeño, es posible que se pueda fabricar un semiconductor con el mismo precio y mejores prestaciones que el silicio.
Debido a las propiedades del material, algunos expertos creen que el semiconductor de óxido de galio no se puede utilizar para fabricar semiconductores de tipo P. Sin embargo, Shizuo Fujita de la Universidad de Kyoto y Flosfia desarrollaron con éxito un transistor normalmente apagado (MOSFET) de dispositivos G2aO3 con una estructura de zafiro en 2016. Una vez que el material de óxido de galio reemplace al material de silicio ampliamente utilizado actualmente, reducirá 14,4 millones de toneladas de emisiones de dióxido de carbono. todos los años.
4. Las características industriales de los semiconductores de potencia son adecuadas para el crecimiento explosivo de dispositivos de óxido de galio
Los semiconductores de potencia se utilizan en todos los campos de la electrónica de potencia y el mercado es maduro y estable con un crecimiento lento. Sin embargo, la industria siempre busca una mayor potencia (carga y descarga más rápidas), un ahorro de energía más eficiente (menos calor, más seguro y respetuoso con el medio ambiente), un tamaño y peso más pequeños (más portátil y más fácil de instalar y mantener) y un menor costo (Ga2O3 más amplio aplicaciones y mercados). Por lo tanto, en los últimos años, los nuevos campos de aplicación, como los vehículos de nueva energía, la generación de energía renovable, los electrodomésticos de conversión de frecuencia y la carga rápida, han marcado el comienzo de un nuevo y enorme crecimiento.
① Característica de la industria 1: No es necesario ponerse al día con la Ley de Moore. Generalmente, se puede utilizar un proceso de fabricación de 0.18 ~ 0.5um. Se basa en la calidad de los materiales y tiene altos requisitos en el proceso de producción de materiales y dispositivos. Debido a la tendencia general hacia la integración y la modularización, es necesario desarrollar nuevos diseños de envases.
Procedimiento de diseño: el circuito semiconductor de potencia tiene una estructura simple y no necesita invertir mucho capital en arquitectura, IP, conjunto de instrucciones, proceso de diseño, herramientas de software, etc.
Fabricación: debido a que no es necesario ponerse al día con la Ley de Moore, la línea de producción no depende en gran medida de equipos avanzados y el gasto de capital general es pequeño.
Embalaje: se puede dividir en embalaje de dispositivo discreto y embalaje de módulo. Debido a que los dispositivos de potencia tienen requisitos de confiabilidad muy altos, se requieren diseños y materiales especiales, y el valor del procesamiento posterior representa más del 35%, que es mucho más alto que el 10% de los chips lógicos digitales ordinarios. En la actualidad, de acuerdo con los proyectos de investigación y el diseño del producto, muchas empresas están comenzando a transformarse en productos de gama media a alta con mayor valor.
②Característica de la industria 1: La industria de semiconductores de potencia generalmente adopta el modo IDM, que es más adecuado para que las empresas se vuelvan más grandes y más fuertes. Aunque las empresas de sustrato y epitaxia pueden convertirse en parte separada, y el diseño de chips y los procedimientos de fabricación deben integrarse, de lo contrario se perderá la capacidad de hacer avances tecnológicos y la capacidad de producción será limitada. Por tanto, la subcontratación solo puede utilizarse como complemento a la capacidad de producción de productos de gama baja.
③ Característica de la industria 2: Los vehículos de nueva energía y otras aplicaciones emergentes continúan promoviendo el surgimiento de nuevos materiales semiconductores.
Los materiales de cuarta generación tienen el potencial de cooperar con semiconductores de tercera generación para reemplazar los materiales de silicio en escenarios de aplicación de alta potencia y alta frecuencia. Toda la industria se encuentra en la etapa inicial de industrialización.
Impulsada por las demandas de los mercados emergentes, como vehículos de nueva energía, 5G, carga rápida y mercados potenciales de reemplazo de silicio, la investigación en profundidad y la industrialización actuales se basan principalmente en SiC y GaN. La reserva técnica de Ga2O3 es débil, por lo que las empresas con dicha tecnología enfrentan menos presión competitiva.
La dificultad principal del semiconductor de cuarta generación, el semiconductor de óxido de galio, radica en la preparación de materiales. Los avances en el lado material ganarán un gran valor de mercado.
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