Opportunités et défis pour le semi-conducteur de quatrième génération —— Oxyde de gallium

Opportunités et défis pour le semi-conducteur de quatrième génération —— Oxyde de gallium

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. Génergétique Change de Sémetteur Matériaux

Tout d'abord, nous devons connaître la situation de chaque génération de semi-conducteurs:

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.

Les matériaux semi-conducteurs de deuxième génération se réfèrent principalement aux matériaux semi-conducteurs composés, tels que l'arséniure de gallium (GaAs) et le phosphure d'indium (InP), et comprennent également les semi-conducteurs composés ternaires, tels que GaAsAl, GaAsP, et certains semi-conducteurs en solution solide, tels que Ge- Si, GaAs-GaP, semi-conducteurs de verre (également appelés semi-conducteurs amorphes), silicium amorphe, semi-conducteurs d'oxyde vitreux, semi-conducteurs organiques, comme la phtalocyanine, la phtalocyanine de cuivre, le polyacrylonitrile, etc.

Les matériaux semi-conducteurs de troisième génération se réfèrent aux matériaux semi-conducteurs à grand écart, représentés parcarbure de silicium (SiC),nitrure de gallium (GaN)et oxyde de zinc (ZnO). En termes d'application, selon le développement des semi-conducteurs de troisième génération, ses principales applications sont l'éclairage à semi-conducteurs, les dispositifs électroniques de puissance, les lasers et détecteurs, et les quatre autres domaines. Les semi-conducteurs à large bande interdite sont encore au stade de la recherche et du développement en laboratoire.

Les matériaux semi-conducteurs de quatrième génération sont principalement des matériaux semi-conducteurs à bande interdite ultra-large (UWBG), représentés par le diamant (C), le semi-conducteur à l'oxyde de gallium (Ga2O3) et le nitrure d'aluminium (AlN), avec une bande interdite dépassant 4eV, et ultra- matériaux semi-conducteurs à bande interdite étroite (UNBG). L'antimonide (GaSb, InSb) est le matériau semi-conducteur représentatif à bande interdite ultra-étroite (UNBG). Dans l'application, le matériau à bande interdite ultra-large Ga2O3 chevauchera avec le matériau de troisième génération, qui présente principalement des avantages caractéristiques plus importants dans le domaine des dispositifs de puissance; tandis qu'en raison de l'excitation facile et de la mobilité élevée du matériau à bande interdite ultra-étroite, il est principalement utilisé pour les détecteurs et les lasers.

2.Les caractéristiques d'oxyde de galliumSemi-conducteur

L'oxyde de gallium est un oxyde de gallium métallique et c'est également un composé semi-conducteur. Il a 5 formes cristallines confirmées, α, β, γ, δ et ε. Jusqu'à présent, parmi eux, la phase β est la plus stable. Prenons l'exemple des matériaux semi-conducteurs d'oxyde de gallium produits par PAM-XIAMEN dans la partie suivante.

Structure cristalline d'oxyde de gallium en phase β

Structure cristalline d'oxyde de gallium en phase β

La plupart des rapports de recherche de l'industrie liés à la croissance des cristaux d'oxyde de gallium (Ga2O3) et aux propriétés du Ga2O3 en physique utilisent la phase β, et la phase β est également largement utilisée dans la recherche et le développement nationaux. La phase β a une seule structure cristalline de Ga2O3 appelée «β-gallia». La bande interdite de la phase β est très grande, atteignant 4,8 à 4,9 eV, soit plus de 4 fois celle de Si, et dépasse également les 3,3 eV de SiC et 3,4 eV de GaN (le tableau 1 est présenté ci-dessous). Dans des circonstances normales, la bande interdite d'oxyde de gallium est grande et l'intensité du champ électrique de claquage sera grande. L'intensité du champ de claquage Ga2O3 de la phase β est estimée à environ 8MV / cm, ce qui est plus de 20 fois celui du Si, ce qui équivaut à plus du double de celui du SiC et du GaN. À l'heure actuelle, les instituts de recherche ont fabriqué des appareils à 6,8MV / cm.

Matériel Bande interdite / eV Point de fusion / ℃ Mobilité électronique (cm2 * V-1 * s-1) Vitesse de saturation électronique / (107 cm * s-1) Champ électrique de claquage / (108 V * m-1) Constante diélectrique Conductivité thermique (W * cm-1 * K-1) Ballyga Merit
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
Oxyde de gallium 4.8-4.9 1740 300 2.42 8 10 0.27 3444
Nitrure de bore 6 >2937 -1500 1.9 -8 7.1 13 12224

 

Alors que la phase β a d'excellentes propriétés physiques, elle a une faible mobilité et une faible conductivité thermique, difficulté à fabriquer des semi-conducteurs de type p, qui est inférieure au SiC et au GaN. Cependant, les recherches actuelles montrent que ces aspects n'auront pas beaucoup d'impact sur les caractéristiques des composants de puissance, car les performances des dispositifs de puissance dépendent largement de la force du champ électrique de claquage. Quant à la phase β, la «figure de mérite de Baliga» en tant qu'indicateur de faible perte est proportionnelle à la 3ème puissance du champ électrique de claquage et proportionnelle à la 1ère puissance de la mobilité.

L'indice de performance Baliga a été proposé par M. Jayant Baliga, qui était engagé dans la recherche et le développement de semi-conducteurs de puissance depuis de nombreuses années chez General Electric aux États-Unis. Il est utilisé pour l'évaluation des performances des dispositifs unipolaires, comme les MOSFET de puissance. Il y a «BFOM (Baliga`s Figure of Merits)», qui quantifie la perte théorique de basse fréquence, et «BHFFOM (Baliga`s High Frequency Figure of Merits)», qui quantifie la perte théorique de haute fréquence. Dans le domaine de la R&D sur les semi-conducteurs de puissance, le BFOM basse fréquence est largement utilisé.

Comparaison des caractéristiques des matériaux et composants semi-conducteurs de puissance
Silicium 4H-SiC GaN β-Ga2O3
Composants haute tension Production de masse Production de masse En cours d'élaboration Phase de recherche
Composants à moyenne tension de tenue Production de masse Production de masse Production de masse Stade de développement
ON résistance de l'élément Légèrement supérieur Faible Faible Très bas
Indice de performance de perte basse fréquence (valeur relative de BFOM) 1 500 900 3000 (très élevé)
Intensité du champ de ventilation (MV / cm) 0.3 2.8 3.5 8 (valeur estimée)
Conductivité thermique (W / (cm * K)) 1.5 4.9 2 0,1-0,3 (faible)
Coût du substrat (plaquette) Extremement bas Haut Très élevé (substrat GaN) Faible (stade de recherche)
Casquette de bande (Ev) 1.1 3.3 3.4 4.8-4.9
Élément vertical Production de masse Production de masse En cours de développement (légèrement difficile) Phase de développement (très probable)
  • β-Ga2O3le matériel provient de Xiamen Powerway Advanced Material Co., Ltd. (PAM-XIAMEN)

En raison de la valeur élevée Balijia du mérite de la phase β, lors de la fabrication de dispositifs de puissance unipolaires avec la même tension de tenue, la résistance à l'état passant du composant est bien inférieure à celle du SiC ou du GaN. Les données expérimentales montrent que la réduction de la résistance à l'état passant est bénéfique pour réduire la perte de puissance du circuit de puissance lorsqu'il est allumé. L'utilisation de dispositifs Ga2O3 d'alimentation en phase β peut non seulement réduire la perte de puissance lors de la mise sous tension, mais également réduire la perte lors de la commutation, car les composants unipolaires peuvent être utilisés dans des applications à haute tension de tenue supérieure à 1 kV. Le β-Ga2O3 convient à l'électronique à large bande interdite et à l'optoélectronique.

Par exemple, il existe un transistor unipolaire (MOSFET) qui utilise un film protecteur pour réduire la concentration du champ électrique à la grille, et sa tension de tenue peut atteindre 3k à 4kV. Si du silicium est utilisé, un élément bipolaire doit être utilisé lorsque la tension de tenue est de 1 kV. Même si du SiC avec une tension de tenue plus élevée est utilisé, un élément bipolaire doit être utilisé lorsque la tension de tenue est de 4 kV. Les dispositifs bipolaires utilisent des électrons et des trous comme porteurs. Par rapport aux dispositifs unipolaires qui n'utilisent que des électrons comme porteurs, la génération et la disparition de porteurs dans le canal seront coûteuses en temps pendant les opérations de commutation marche et arrêt. La perte a tendance à être importante.

En termes de conductivité thermique de l'oxyde de gallium, si ce paramètre est faible, il est difficile pour les appareils de puissance de fonctionner à des températures élevées. Cependant, la température de fonctionnement en pratique ne dépasse généralement pas 250 ° C, il n'y aura donc aucun effet sur le fonctionnement en application. Étant donné que la température de résistance à la chaleur des matériaux d'emballage, du câblage, de la soudure et de la résine de scellement utilisés dans les modules et les circuits d'alimentation encapsulés avec des appareils d'alimentation ne dépasse pas 250 ° C, la température de fonctionnement des appareils d'alimentation doit également être contrôlée en dessous de ce niveau.

Dans une autre perspective, le substrat naturel facile à fabriquer, le contrôle de la concentration du support et la stabilité thermique inhérente ont également favorisé le développement de dispositifs à oxyde de gallium. Articles connexes exprimés, quand Substrat Ga2O3est dopé de type N avec Si ou Sn, une bonne contrôlabilité peut être obtenue.

Bien que certains semi-conducteurs UWBG (tels que le nitrure d'aluminium AlN, le nitrure de bore cubique c-BN et le diamant) présentent plus d'avantages que le semi-conducteur à oxyde de gallium dans le tableau BFOM, leur préparation des matériaux et le traitement des appareils sont strictement limités. En d'autres termes, l'AlN, le c-BN et le diamant manquent encore d'accumulation technologique pour une industrialisation à grande échelle.

Comparaison des caractéristiques des matériaux clés

Comparaison des caractéristiques des matériaux clés

Des statistiques pertinentes montrent que la perte de semi-conducteur d'oxyde de gallium est théoriquement de 1/3 000 de silicium, 1/6 de carbure de silicium et 1/3 de nitrure de gallium. Afin de réduire la perte de 86%. Les gens de l'industrie attendent beaucoup de son avenir. Et le coût est un autre facteur important pour attirer l'attention de l'industrie

La méthode PVT est couramment utilisée dans la production de lingots de SiC. Le SiC solide est chauffé à 2500 ° C pour sublimation, puis recristallisé sur un germe de SiC de haute qualité à une température légèrement inférieure. Les principales difficultés sont:

1) La température de chauffage est aussi élevée que 2500 ℃, et le taux de croissance du SiC est très lent (<1 mm / h);

2) La taille du lingot de cristal développé est beaucoup plus courte que celle du Si;

3) Les exigences pour le cristal germe sont très élevées, et il doit avoir des caractéristiques de haute qualité et compatibles avec le diamètre de cristal requis;

4) La dureté du lingot de SiC est relativement élevée et il est difficile à traiter et à polir;

Basé sur des substrats SiC, le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est couramment utilisé pour obtenir des couches épitaxiales de haute qualité, puis des dispositifs d'alimentation sont fabriqués sur les couches épitaxiales. La tranche de substrat en SiC a une densité de défauts plus élevée que Si, ce qui interférera en outre avec la croissance de la couche épitaxiale. La couche épitaxiale elle-même produira également des défauts cristallins, ce qui affectera les performances des dispositifs ultérieurs.

Le Ga2O3, comme le saphir, peut être transformé d'un état de solution à un état monocristallin massif (Bulk). En fait, en utilisant la même méthode de moulage guidée EFG (Edge-defined Film-fed Growth) que la technologie de production de plaquettes de saphir, Japan NCT a essayé de produire des plaquettes d'oxyde de gallium d'un diamètre maximum de 6 pouces (150 mm), et un des plaquettes de 50 mm de diamètre ont été vendues à des fins de recherche et développement. Ce procédé est caractérisé par un rendement élevé, un faible coût, un taux de croissance rapide et une grande taille de cristal de croissance.

La «méthode d'atomisation» utilisée par Flosfia a permis de produire une tranche de Ga2O3 en phase α de 4 pouces (100 mm), et le coût est proche de celui du silicium. Mais les matériaux de carbure de silicium (SiC) et de nitrure de gallium (GaN) ne peuvent être préparés que par la «méthode en phase gazeuse» de nos jours, et les coûts futurs resteront élevés en raison du coût élevé du substrat. Pour les semi-conducteurs à l'oxyde de gallium, par rapport aux technologies actuelles SiC et GaN à large bande interdite, une couche mince d'oxyde de gallium naturel de haute qualité et de grande taille présentera des avantages de coût uniques et significatifs.

powerwaywafer

3. Actuel Sétat de Research et Ddéveloppement et Industrialisation de Gallium Oxide

En raison de ses nombreux avantages, l'oxyde de gallium est considéré comme une technologie aux perspectives plus larges que le nitrure de gallium.

SiC ou GaN. Du point de vue de la division du travail dans la chaîne industrielle, Cree, Rohm et ST ont déjà formé un système d'alimentation vertical de substrat SiC → épitaxie → dispositif → module. Les fabricants, tels qu'Infineon, Bosch, OnSemi, etc., achètent des substrats, puis réalisent eux-mêmes la croissance épitaxiale de Ga2O3 et fabriquent des dispositifs et des modules.

En ce qui concerne les machines numériques comme les véhicules électriques et les appareils ménagers «bon marché» qui ont des exigences de coût strictes, même si le carbure de silicium et le nitrure de gallium ont d'excellentes performances, les fabricants peuvent difficilement accepter leurs prix. Les problèmes de coût empêchent l'industrie d'adopter de nouveaux matériaux semi-conducteurs. La «méthode de séchage par atomisation» de FLOSFIA (MistDry) dissout d'abord l'oxyde de gallium dans une solution mélangée à des dizaines de formules, puis pulvérise la solution sur le substrat en saphir sous forme de brouillard. Des cristaux d'oxyde de gallium ont été formés avant que la solution sur le substrat de saphir ne sèche. De cette manière, la couche mince de Ga2O3 est obtenue directement à l'état liquide, sans environnement haute température et ultra-propre, fabrication de plaquette de Ga2O3 à un coût ultra faible.

Ce type de solution est liquide à température ambiante et la température d'évaporation n'a pas besoin d'atteindre 1 500 degrés, quelques centaines de degrés suffisent; et l'environnement pour fabriquer des cristaux est dans l'air à température ambiante sans aucune procédure coûteuse. Si l'on considère une petite taille, il est possible qu'un semi-conducteur avec le même prix et de meilleures performances que le silicium puisse être fabriqué.

En raison des propriétés des matériaux, certains experts pensent que le semi-conducteur à l'oxyde de gallium ne peut pas être utilisé pour fabriquer des semi-conducteurs de type P. Cependant, Shizuo Fujita de l'Université de Kyoto et Flosfia ont développé avec succès un transistor G2aO3 normalement éteint (MOSFET) avec une structure en saphir en 2016. Une fois que le matériau d'oxyde de gallium remplacera le matériau de silicium actuellement largement utilisé, il réduira 14,4 millions de tonnes d'émissions de dioxyde de carbone chaque année.

4. Les caractéristiques de l'industrie des semi-conducteurs de puissance sont adaptées à la croissance explosive des dispositifs à oxyde de gallium

Les semi-conducteurs de puissance sont utilisés dans tous les domaines de l'électronique de puissance, et le marché est mature et stable avec une croissance lente. Cependant, l'industrie recherche toujours une puissance plus élevée (charge et décharge plus rapides), une économie d'énergie plus efficace (chaleur réduite, plus sûre et respectueuse de l'environnement), une taille et un poids plus petits (plus portables et plus faciles à installer et à entretenir) et à moindre coût (Ga2O3 plus large applications et marchés). Par conséquent, ces dernières années, de nouveaux domaines d'application, tels que les véhicules à énergie nouvelle, la production d'énergie renouvelable, les appareils électroménagers à conversion de fréquence et la recharge rapide, ont inauguré une nouvelle croissance énorme.

①Fonctionnalité de l'industrie 1: Il n'est pas nécessaire de rattraper la loi de Moore. Généralement, un processus de fabrication de 0,18 à 0,5 um peut être utilisé. Elle repose sur la qualité des matériaux et a des exigences élevées sur le processus de production des matériaux et des appareils. En raison de la tendance générale à l'intégration et à la modularisation, de nouvelles conceptions d'emballage doivent être développées.

Procédure de conception: Le circuit semi-conducteur de puissance a une structure simple et n'a pas besoin d'investir beaucoup de capital dans l'architecture, la propriété intellectuelle, le jeu d'instructions, le processus de conception, les outils logiciels, etc.

Fabrication: Parce qu'il n'est pas nécessaire de rattraper la loi de Moore, la chaîne de production ne dépend pas fortement des équipements de pointe et les dépenses d'investissement globales sont faibles.

Emballage: Il peut être divisé en emballage discret pour appareil et en emballage de module. Étant donné que les dispositifs d'alimentation ont des exigences de fiabilité très élevées, des conceptions et des matériaux spéciaux sont nécessaires et la valeur du traitement ultérieur représente plus de 35%, ce qui est bien supérieur à 10% des puces logiques numériques ordinaires. À l'heure actuelle, selon les projets de recherche et la présentation des produits, de nombreuses entreprises commencent à se transformer en produits de milieu à haut de gamme avec une valeur plus élevée.

②Fonctionnalité de l'industrie 1: l'industrie des semi-conducteurs de puissance adopte généralement le mode IDM, qui est plus adapté pour que les entreprises deviennent plus grandes et plus fortes. Bien que les sociétés de substrats et d'épitaxie puissent devenir des parties distinctes et que les procédures de conception et de fabrication des puces doivent être intégrées, sinon la capacité de faire des progrès technologiques sera perdue et la capacité de production sera limitée. Par conséquent, l'externalisation ne peut être utilisée qu'en complément de la capacité de production de produits bas de gamme.

③Fonctionnalité de l'industrie 2: les véhicules à énergie nouvelle et d'autres applications émergentes continuent de promouvoir l'essor des nouveaux matériaux semi-conducteurs.

Les matériaux de quatrième génération ont le potentiel de coopérer avec des semi-conducteurs de troisième génération pour remplacer les matériaux de silicium dans des scénarios d'application haute puissance et haute fréquence. L'ensemble de l'industrie est au stade initial de l'industrialisation.

Poussé par les demandes des marchés émergents, comme les nouveaux véhicules à énergie, la 5G, la charge rapide et les marchés potentiels de remplacement du silicium, la recherche et l'industrialisation approfondies actuelles sont principalement basées sur le SiC et le GaN. La réserve technique de Ga2O3 est faible, de sorte que les entreprises dotées d'une telle technologie font face à une pression concurrentielle moindre.

La principale difficulté du semi-conducteur de quatrième génération - semi-conducteur à l'oxyde de gallium réside dans la préparation des matériaux. Les percées du côté matériel gagneront une grande valeur marchande.

Pour plus d'informations, veuillez nous contacter par e-mail à victorchan@powerwaywafer.com et powerwaymaterial@gmail.com.

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