第4世代半導体のチャンスと課題——酸化ガリウム

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、その他の国で研究のホットスポットとなり、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永遠のCのハンジ S半導体Mアテリアル

まず第一に、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 世代半導体材料とは、主にガリウムヒ素 (GaAs) やリン化インジウム (InP) などの化合物半導体材料を指し、GaAsAl、GaAsP などの三元化合物半導体、Ge などの一部の固溶体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。

第3世代半導体材料とは、以下に代表される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）、酸化亜鉛（ZnO）。応用面では、第3世代半導体の発展に伴い、主な用途は半導体照明、パワーエレクトロニクスデバイス、レーザーおよび検出器、その他の4分野となっています。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、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）に代表されるバンドギャップが4eVを超え、超ワイドバンドギャップ（UWBG）半導体材料が中心です。ナローバンドギャップ（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。応用において、超広い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性上の利点を持つ第3世代材料と重複します。一方、超狭バンドギャップ材料は励起が容易で移動度が高いため、主に検出器やレーザーに使用されます。

2。特徴酸化ガリウムの半導体

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。 α、β、γ、δ、εの5つの結晶形が確認されています。現在のところ、この中ではβ相が最も安定です。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に挙げます。

酸化ガリウム(Ga2O3)の結晶成長や物理学におけるGa2O3の特性に関する業界研究報告のほとんどはβ相を使用しており、国内の研究開発でもβ相が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、4.8～4.9 eVに達し、Siの4倍以上であり、SiCの3.3 eVやGaNの3.4 eVも上回っています（表1を以下に示します）。通常、酸化ガリウムのバンドギャップは大きく、破壊電界強度も大きくなります。 β相のGa2O3破壊電界強度は約8MV/cmと推定されており、これはSiの20倍以上であり、SiCや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（cm2V-1s-1）	電子飽和速度/（107 cm*s-1）	破壊電界/（108V*m-1）	誘電率	熱伝導率（Wcm-1K-1）	バリガメリット
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相は優れた物性を有するものの、移動度や熱伝導率が低く、p型半導体の製造が難しく、SiCやGaNに劣ります。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大きな影響を与えないことがわかっています。 β相に関しては、低損失の指標となる「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。

バリガ性能指標は、米国ゼネラル・エレクトリック社で長年パワー半導体の研究開発に従事していたジャヤント・バリガ氏によって提唱されました。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。低周波の理論損失を数値化した「BFOM（Baliga`s Figure of Merits）」と高周波の理論損失を数値化した「BHFFOM（Baliga`s High Frequency Figure of Merits）」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。

パワー半導体の材料・部品の特性比較
	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	研究段階
中耐圧部品	量産	量産	量産	開発段階
素子のON抵抗	やや高め	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（ウエハ）コスト	極めて低い	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)	開発段階(可能性が非常に高い)

β-Ga2O3_{材料は厦門パワーウェイ先進材料有限公司(PAM-XIAMEN)からのものです}

β 相の Balijia 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 や GaN よりもはるかに低くなります。実験データによれば、オン抵抗を低減することは、電源回路がオンになったときの電力損失を低減するのに有益であることが示されている。 β 相パワー Ga2O3 デバイスを使用すると、ユニポーラコンポーネントを 1kV を超える高耐圧アプリケーションで使用できるため、ターンオン時の電力損失を低減できるだけでなく、スイッチング時の損失も低減できます。 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。

例えば、保護膜を用いてゲートへの電界集中を緩和したユニポーラトランジスタ（MOSFET）は、耐圧が3k～4kVにも達します。シリコンを使用する場合、耐圧1kVの場合はバイポーラ素子を使用する必要があります。さらに高耐圧のSiCを使用する場合でも、耐圧が4kVになると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。電子のみをキャリアとして使用するユニポーラデバイスと比較すると、チャネル内でのキャリアの生成と消失は、オンおよびオフのスイッチング動作中に多くの時間を費やします。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ことが困難になります。ただし、実際の動作温度は一般に 250°C 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。パワーデバイスを封止したモジュールや電源回路に使用されるパッケージ材、配線、はんだ、封止樹脂の耐熱温度は250℃以下ですので、パワーデバイスの動作温度もこれ以下に抑える必要があります。

別の観点から見ると、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ました。関連論文が発表されたときGa2O3基板N型にSiやSnをドープしているため、良好な制御性が得られます。

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 チャートでは酸化ガリウム半導体よりも多くの利点を持っていますが、材料の準備とデバイスのプロセスは厳しく制限されています。つまり、AlN、c-BN、ダイヤモンドは大規模工業化に向けた技術蓄積がまだ不足しているのです。

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、炭化シリコンの 1/6、窒化ガリウムの 1/3 です。損失を86%削減します。業界関係者はその将来に大きな期待を寄せています。そしてコストも業界の注目を集めるもう一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ます。固体のSiCは昇華のために2500℃に加熱され、その後わずかに低い温度で高品質のSiC種結晶上で再結晶化されます。主な問題点は次のとおりです。

1) 加熱温度は 2500℃ と高く、SiC の成長速度は非常に遅い (<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）種結晶に対する要求は非常に高く、高品質で必要な結晶直径と一致する特性を有する必要がある。

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、化学気相成長 (CVD) を使用して高品質のエピタキシャル層を取得し、そのエピタキシャル層上にパワーデバイスが製造されます。 SiC 基板ウェーハは Si よりも欠陥密度が高いため、エピタキシャル層の成長がさらに妨げられます。エピタキシャル層自体も結晶欠陥を生成し、その後のデバイスの性能に影響を及ぼします。

Ga2O3 は、サファイアと同様に、溶液状態からバルク (Bulk) 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）を用いて、最大直径6インチ（150mm）の酸化ガリウムウェーハの生産を試みており、直径 2 インチ (50 mm) 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を特徴としています。

Flosfia社が採用した「アトマイズ法」により4インチ（100mm）のα相Ga2O3ウェハを製造しており、コストはシリコンに近い。しかし、炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）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的にもコストは高止まりするだろう。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は、独自の大幅なコストメリットをもたらします。

3. 現在Sのタトゥス R研究とD開発と私の工業化Gネギ Oxide

酸化ガリウムは多くの利点があるため、窒化ガリウムよりも広い将来性を有する技術として注目されています。

SiCまたはGaN。産業チェーンにおける分業の観点から見ると、Cree、ローム、ST はすでに SiC 基板→エピタキシー→デバイス→モジュールという垂直供給システムを形成しています。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、自社でGa2O3エピタキシャル成長を行い、デバイスやモジュールを製造します。

コスト要求が厳しい電気自動車や安価な家電などのデジタル機器では、たとえ炭化ケイ素や窒化ガリウムの性能が優れていても、メーカーがその価格を受け入れることは困難です。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」（ミストドライ）は、数十種類の配合を混合した溶液に酸化ガリウムを溶解し、その溶液をミスト状にしてサファイア基板上に噴霧します。サファイア基板上の溶液が乾燥する前に、酸化ガリウムの結晶が形成されました。このようにして、高温で超クリーンな環境を必要とせず、液体状態から直接 Ga2O3 薄膜が得られ、超低コストで Ga2O3 ウェハを製造できます。

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室温の空気中であり、高価な手順は必要ありません。小型化を考慮すれば、シリコンよりも同等の価格で性能の良い半導体が製造できる可能性がある。

一部の専門家は、材料特性により、酸化ガリウム半導体は P 型半導体の製造には使用できないと考えています。しかし、京都大学の藤田静夫氏とフロスフィア氏は、2016年にサファイア構造を備えたG2aO3デバイス・ノーマリオフ・トランジスタ（MOSFET）の開発に成功した。現在広く使用されているシリコン材料が酸化ガリウム材料に置き換われば、二酸化炭素排出量は1,440万トン削減されることになる。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成長に適している

パワー半導体はあらゆるパワーエレクトロニクス分野で使用されており、市場は成熟しており、成長は緩やかですが安定しています。しかし、業界は常に、より高い出力（より速い充電と放電）、より効率的なエネルギー節約（熱の低減、より安全で環境に優しい）、より小さなサイズと重量（より持ち運びやすく、設置と保守がより簡単）、そしてより低いコスト（より幅広い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、新エネルギー自動車、再生可能エネルギー発電、周波数変換家電、急速充電などの新たな応用分野が新たな大きな成長を迎えています。

①業界の特徴１：ムーアの法則に追いつく必要がない。一般的に0.18～0.5umの製造プロセスが使用可能です。材料の品質に依存しており、材料やデバイスの製造プロセスには高い要件が求められます。統合とモジュール化への全体的な傾向により、新しいパッケージ設計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単純な構造をしており、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額の資本を投資する必要がありません。

製造: ムーアの法則に従う必要がないため、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額です。

Packaging: It can be divided into discrete device packaging and module packaging. Because power devices have very high reliability requirements, special designs and materials are required, and the value of subsequent processing accounts for more than 35%, which is much higher than 10% of ordinary digital logic chips. At present, according to the research projects and product layout, many enterprises are beginning to transform to mid-to-high-end products with higher value .

②Industry feature 1: The power semiconductor industry generally adopts IDM mode, which is more suitable for enterprises to become bigger and stronger. Although the substrate and epitaxy companies can become separate part, and the chip design and manufacturing procedures must be integrated, otherwise the ability to make technological progress will be lost and the production capacity will be limited. Therefore, outsourcing can only be used as a supplement to the production capacity of low-end products.

③Industry feature 2: New energy vehicles and other emerging applications continue to promote the rise of new semiconductor materials.

The fourth-generation materials have the potential to cooperate with third-generation semiconductors to replace silicon materials in high-power and high-frequency application scenarios. The whole industry is in the initial stage of industrialization.

Driven by emerging market demands, like new energy vehicles, 5G, fast charging, and potential silicon replacement markets, the current in-depth research and industrialization are mainly based on SiC and GaN. Ga2O3 technical reserve is weak, so companies with such a technology face less competitive pressure.

The core difficulty of the fourth-generation semiconductor – gallium oxide semiconductor lies in the preparation of materials. Breakthroughs on the material side will gain great market value.

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