実は、酸化ガリウム(Ga2O3)は新しい技術ではありません。 パワー半導体分野における酸化ガリウムの応用研究は、企業や研究機関によって常に行われています。 酸化ガリウム材料は主に日本産です。 Ga2O3 アプリケーションの開発要件が明確になるにつれて、高出力デバイスの性能要件はますます高くなっています。 酸化ガリウム半導体は、米国、日本、ドイツおよびその他の国で研究のホットスポットおよび競争の優先事項となっています。 PAM-XIAMEN は酸化ガリウム半導体の利点と将来性をより深く理解しており、それに対応する研究も増加しています。 現在のところ、PAM-XIAEMNが提供できるのはGa2O3ウェーハプライムグレードとダミーグレードで.

1。 Gエネルギッシュ Cのハンジ S半導体 Mアテリアル

まず、各世代の半導体の状況を知る必要があります。

第一世代半導体材料とは、主にシリコン（Si）とゲルマニウム（Ge）の単体半導体材料を指します。 第一世代の半導体材料、特にシリコンは、半導体デバイスの開発と応用において確固たる地位を占めています。 大規模集積回路、アナログ IC、センサー、その他のデバイスの基礎材料です。 ムーアの法則を実現する基礎となるのがシリコン加工技術です。 シリコンベースのチップは、コンピュータ、携帯電話、テレビ、航空宇宙、新エネルギーおよびシリコン太陽光発電産業で広く使用されています。 そのため、業界外の人は半導体といえばシリコンだと思っている人が多いです。

第2世代の半導体材料は、主にガリウムヒ素（GaAs）やインジウムリン（InP）などの複合半導体材料を指し、GaAsAl、GaAsPなどの3成分化合物半導体、およびGe-などの一部の固液半導体も含まれます。 Si、GaAs-GaP、ガラス半導体（アモルファス半導体とも呼ばれる）、アモルファスシリコン、ガラス状酸化物半導体、フタロシアニン、銅フタロシアニン、ポリアクリロニトリルなどの有機半導体など。

第3世代の半導体材料とは、ワイドギャップ半導体材料を指します。炭化ケイ素（SiC）、窒化ガリウム（GaN）、および酸化亜鉛（ZnO）。 用途としては、第3世代半導体の開発によると、主な用途は半導体照明、パワーエレクトロニクス機器、レーザー・検出器など4分野です。 ワイドバンドギャップ半導体はまだ実験室での研究開発段階にあります。

第4世代の半導体材料は、主に超広帯域ギャップ（UWBG）半導体材料であり、ダイヤモンド（C）、酸化ガリウム（Ga2O3）半導体、窒化アルミニウム（AlN）に代表され、バンドギャップは4eVを超えます。狭バンドギャップ（UNBG）半導体材料。 アンチモン化物（GaSb、InSb）は、代表的な超狭バンドギャップ（UNBG）半導体材料です。 アプリケーションでは、超広幅のGa2O3バンドギャップ材料は、主にパワーデバイスの分野でより顕著な特徴的な利点を持つ第3世代の材料と重なります。 超狭バンドギャップ材料の励起が容易で移動性が高いため、主に検出器やレーザーに使用されます。

2。特徴 酸化ガリウム半導体

酸化ガリウムは金属ガリウムの酸化物であり、半導体化合物でもあります。 それは5つの確認された結晶形、α、β、γ、δ、およびεを持っています。 これまでのところ、その中でβ相が最も安定しています。 次のパートでは、PAM-XIAMENによって製造された酸化ガリウム半導体材料を例として取り上げます。

酸化ガリウム（Ga2O3）の結晶成長と物理学におけるGa2O3の特性に関する業界の研究報告のほとんどは、β相を使用しており、β相は国内の研究開発でも広く使用されています。 β相は「β-ガリア」と呼ばれる単一のGa2O3結晶構造を持っています。 β相のバンドギャップは非常に大きく、Siの4倍以上である4.8〜4.9 eVに達し、SiCの3.3eVおよびGaNの3.4eVを超えています（表1を以下に示します）。 通常の状況では、酸化ガリウムのバンドギャップが大きく、破壊電界強度が大きくなります。 β相のGa2O3破壊電界強度は約8MV / cmと推定され、これはSiの20倍以上であり、SiCおよびGaNの2倍以上に相当します。 現在、研究機関は実際に6.8MV / cmのデバイスを製造しています。

材料	バンドギャップ/ eV	融点/℃	電子移動度（cm2 * V-1 * s-1）	電子飽和速度/（107cm * s-1）	破壊電界/（108V * m-1）	誘電率	熱伝導率（W * cm-1 * K-1）	バリーガメリット
シ	1.1	1410	1400	1	0.3	11.8	1.5	1
GaAsの	1.4	1238	8000	2	0.4	12.9	0.55	5
4H-SiCの	3.3	>2700	550	2	2.5	9.7	2.7	340
GaN系	3.39	1700	600	2	3.3	9	2.1	870
ダイヤモンド	5.5	3800	2200	3	10	5.5	22	24664
酸化ガリウム	4.8-4.9	1740	300	2.42	8	10	0.27	3444
窒化ホウ素	6	>2937	-1500	1.9	-8	7.1	13	12224

 

β相は物性に優れていますが、移動度や熱伝導率が低く、SiCやGaNに比べてp型半導体の製造が困難です。 しかし、現在の研究では、パワーデバイスの性能は破壊電界の強さに大きく依存するため、これらの側面はパワーコンポーネントの特性にあまり影響を与えないことが示されています。 β相については、低損失指標としての「バリガの性能指数」は、破壊電界強度の3乗に比例し、移動度の1乗に比例します。

バリガ性能指数は、米国のゼネラルエレクトリックで長年パワー半導体の研究開発に携わってきたジャヤントバリガ氏によって提案されました。 パワーMOSFETなどのユニポーラデバイスの性能評価に使用されます。 低周波の理論的損失を定量化する「BFOM（バリガの高周波性能指数）」と、高周波の理論的損失を定量化する「BHFFOM（バリガの高周波性能指数）」があります。 パワー半導体の研究開発の分野では、低周波BFOMが広く使用されています。

パワー半導体材料と部品の特性の比較
	シリコン	4H-SiCの	GaN系	β-Ga2O3
高電圧コンポーネント	量産	量産	開発中で	研究段階
中耐電圧成分	量産	量産	量産	開発段階
エレメントのON抵抗	やや高いです	低いです	低いです	とても低い
低周波損失性能指数（BFOMの相対値）	1	500	900	3,000（非常に高い）
破壊電界強度（MV / cm）	0.3	2.8	3.5	8（推定値）
熱伝導率（W /（cm * K））	1.5	4.9	2	0.1-0.3（低）
基板（ウェーハ）コスト	非常に低い	ハイ	非常に高い（GaN基板）	低（研究段階）
バンドキャップ（Ev）	1.1	3.3	3.4	4.8-4.9
垂直要素	量産	量産	開発中（やや難しい）	開発フェーズ（非常に可能性が高い）

• β-Ga2O3_{材料はXiamenPowerway Advanced Material Co.、Ltd。（PAM-XIAMEN）からのものです}

β相のバリジア性能指数が高いため、同じ耐電圧のユニポーラパワーデバイスを製造する場合、コンポーネントのオン抵抗はSiCまたはGaNのオン抵抗よりもはるかに低くなります。 実験データは、オン抵抗を減らすことが、電源がオンになったときの電源回路の電力損失を減らすのに有益であることを示しています。 β相電力Ga2O3デバイスを使用すると、ターンオン時の電力損失を減らすだけでなく、1kVを超える高耐電圧アプリケーションでユニポーラコンポーネントを使用できるため、スイッチング時の損失も減らすことができます。 β-Ga2O3は、ワイドバンドギャップエレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクスに適しています。

たとえば、保護膜を使用してゲートへの電界の集中を低減するユニポーラトランジスタ（MOSFET）があり、その耐電圧は3k〜4kVに達する可能性があります。 シリコンを使用する場合、耐電圧が1kVのときにバイポーラ素子を使用する必要があります。 耐電圧の高いSiCを使用する場合でも、耐電圧が4kVの場合はバイポーラ素子を使用する必要があります。 バイポーラデバイスは、電子と正孔をキャリアとして使用します。 電子をキャリアとしてのみ使用するユニポーラデバイスと比較して、チャネル内のキャリアの生成と消失は、オンとオフの切り替え操作中にコストのかかる時間になります。 損失が大きくなる傾向があります。

酸化ガリウムの熱伝導率に関しては、このパラメータが低いと、パワーデバイスが高温で動作するのが困難になります。 ただし、実際の動作温度は通常250℃を超えないため、アプリケーションでの動作に影響はありません。 パワーデバイスでカプセル化されたモジュールや電源回路に使用される梱包材、配線、はんだ、シーリング樹脂の耐熱温度は250℃以下であるため、パワーデバイスの動作温度もこのレベル以下に制御する必要があります。

別の見方をすれば、製造が容易な天然基板、キャリア濃度の制御、および固有の熱安定性も、酸化ガリウムデバイスの開発を促進しています。 関連する論文が表明されたとき Ga2O3基板SiまたはSnをN型にドープしているため、良好な制御性を実現できます。

一部のUWBG半導体（窒化アルミニウムAlN、立方晶窒化ホウ素c-BN、ダイヤモンドなど）は、BFOMチャートで酸化ガリウム半導体よりも多くの利点がありますが、材料の準備とデバイスの処理は厳密に制限されています。 言い換えれば、AlN、c-BN、ダイヤモンドは、大規模な工業化のための技術の蓄積がまだ不足しています。

関連する統計によると、酸化ガリウム半導体の損失は、理論的にはシリコンの1 / 3,000、炭化ケイ素の1/6、窒化ガリウムの1/3です。 損失を86％削減するため。 業界の人々は、その将来に大きな期待を寄せています。 そして、コストは業界の注目を集めるためのもう1つの重要な要素です

PVT法は、SiCインゴットの製造に一般的に使用されています。 固体SiCは昇華のために2500°Cに加熱され、わずかに低い温度で高品質のSiC種結晶上に再結晶されます。 主要な問題は次のとおりです。

1）加熱温度が2500℃と高く、SiCの成長速度が非常に遅い（<1mm / h）。

2）成長した結晶インゴットのサイズはSiのサイズよりもはるかに短い。

3）種結晶の要件は非常に高く、高品質の特性を持ち、必要な結晶直径と一致している必要があります。

4）SiCインゴットの硬度は比較的高く、加工や研磨が難しい。

SiC基板に基づいて、化学蒸着（CVD）が一般的に使用されて高品質のエピタキシャル層が得られ、次にパワーデバイスがエピタキシャル層上に製造されます。 SiC基板ウェーハはSiよりも欠陥密度が高く、エピタキシャル層の成長をさらに妨害します。 エピタキシャル層自体も結晶欠陥を生成し、後続のデバイスの性能に影響を与えます。

Ga2O3は、サファイアと同様に、溶液状態からバルク（バルク）単結晶状態に変換できます。 実際、日本NCTは、サファイアウェーハ製造技術と同じガイドモールド法EFG（Edge-defined Film-fed Growth）を使用して、最大直径6インチ（150 mm）の酸化ガリウムウェーハの製造を試みました。直径2インチ（50mm）のウェーハが研究開発目的で販売されています。 このプロセスは、高収率、低コスト、速い成長速度、および大きな成長結晶サイズによって特徴付けられます。

Flosfiaが採用した「アトマイズ法」は、4インチ（100mm）のα相Ga2O3ウェーハを製造しており、コストはシリコンに近い。 しかし、炭化ケイ素（SiC）と窒化ガリウム（GaN）の材料は、現在「気相法」でしか製造できず、基板のコストが高いため、将来のコストは高くなり続けるでしょう。 酸化ガリウム半導体の場合、現在のワイドバンドギャップSiCおよびGaN技術と比較して、高品質で大型の天然酸化ガリウム薄膜には、独自の重要なコスト上の利点があります。

3.現在 Sのタトゥス Researchと D発展と Iの産業化 Gネギ Oxide

酸化ガリウムには多くの利点があるため、窒化ガリウムよりも幅広い展望を持つ技術と見なされています。

SiCまたはGaN。 産業チェーンにおける分業の観点から、Cree、Rohm、およびSTは、SiC基板→エピタキシー→デバイス→モジュールの垂直供給システムをすでに形成しています。 インフィニオン、ボッシュ、オンセミなどのメーカーが基板を購入し、Ga2O3エピタキシャル成長を自社で行い、デバイスやモジュールを製造しています。

電気自動車や「安価な」家電製品など、コスト要件の厳しいデジタル機器では、炭化ケイ素や窒化ガリウムの性能が優れていても、メーカーは価格を受け入れにくい。 コストの問題により、業界は新しい半導体材料を採用することができません。 FLOSFIAの「噴霧乾燥法」（MistDry）は、最初に酸化ガリウムを数十の調合乳と混合した溶液に溶解し、次にその溶液をミストの形でサファイア基板に噴霧します。 サファイア基板上の溶液が乾燥する前に、酸化ガリウム結晶が形成されました。 このようにして、Ga2O3薄膜は、高温で超クリーンな環境を必要とせずに、液体状態から直接得られ、Ga2O3ウェーハを超低コストで製造します。

この種の溶液は室温で液体であり、蒸発温度は1,500度に達する必要はなく、数百度で十分です。 結晶を作るための環境は、高コストの手順なしで室温の空気の中にあります。 小さいサイズを考えれば、シリコンと同じ価格で性能の良い半導体が製造できる可能性があります。

材料特性のため、一部の専門家は、酸化ガリウム半導体を使用してP型半導体を製造することはできないと考えています。 しかし、京都大学藤田静夫氏とフロスフィア氏は、2016年にサファイア構造のG2aO3デバイスノーマルオフトランジスタ（MOSFET）の開発に成功しました。現在広く使用されているシリコン材料に酸化ガリウム材料が置き換わると、二酸化炭素排出量は1,440万トン削減されます。毎年。

4.パワー半導体の業界特性は、酸化ガリウムデバイスの爆発的な成長に適しています

パワー半導体はすべてのパワーエレクトロニクス分野で使用されており、市場は成熟していて安定しており、成長は遅い。 ただし、業界は常に、より高い電力（より高速な充電と放電）、より効率的な省エネ（熱の削減、より安全で環境に優しい）、より小さなサイズと重量（よりポータブルで、設置と保守がより簡単）、およびより低いコスト（より広いGa2O3）を追求しています。アプリケーションと市場）。 そのため、近年、新エネルギー車、再生可能エネルギー発電、周波数変換家電、急速充電などの新しい応用分野が新たな大きな成長を遂げています。

①業界の特徴1：ムーアの法則に追いつく必要はありません。 一般的には0.18〜0.5umの製造工程が使用できます。 それは材料の品質に依存しており、材料とデバイスの製造プロセスに高い要件があります。 統合とモジュール化への全体的な傾向のため、新しいパッケージデザインを開発する必要があります。

設計手順：パワー半導体回路はシンプルな構造であり、アーキテクチャ、IP、命令セット、設計プロセス、ソフトウェアツールなどに多くの資本を投資する必要はありません。

製造：ムーアの法則に追いつく必要がないため、生産ラインは高度な設備に大きく依存せず、全体的な設備投資は少ないです。

パッケージング：個別のデバイスパッケージングとモジュールパッケージングに分けることができます。 パワーデバイスは非常に高い信頼性要件を持っているため、特別な設計と材料が必要であり、その後の処理の価値は35％以上を占め、通常のデジタルロジックチップの10％をはるかに上回っています。 現在、研究プロジェクトと製品レイアウトによると、多くの企業がより価値の高いミッドエンドからハイエンドの製品に変化し始めています。

②業界の特徴1：パワー半導体業界は一般的にIDMモードを採用しており、企業がより大きく、より強くなるのに適しています。 基板会社とエピタキシー会社は別々の部品になる可能性があり、チップの設計と製造手順を統合する必要がありますが、そうしないと、技術の進歩を遂げる能力が失われ、生産能力が制限されます。 したがって、アウトソーシングは、ローエンド製品の生産能力を補完するものとしてのみ使用できます。

③産業の特徴2：新エネルギー車やその他の新しいアプリケーションは、新しい半導体材料の台頭を促進し続けています。

第4世代の材料は、第3世代の半導体と協力して、高出力および高周波のアプリケーションシナリオでシリコン材料に取って代わる可能性があります。 業界全体が工業化の初期段階にあります。

新エネルギー車、5G、急速充電、潜在的なシリコン交換市場などの新興市場の需要に牽引されて、現在の詳細な研究と工業化は主にSiCとGaNに基づいています。 Ga2O3の技術的予備力は弱いため、そのような技術を持つ企業は競争圧力に直面しません。

第4世代の半導体である酸化ガリウム半導体の中心的な難しさは、材料の準備にあります。 材料面でのブレークスルーは、大きな市場価値を獲得します。

詳細については、メールでお問い合わせください。 victorchan@powerwaywafer.com と powerwaymaterial@gmail.com.