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. A Generacional Cmudança de Semicondutor Mmateriais

Em primeiro lugar, precisamos conhecer a situação de cada geração de semicondutores:

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.

Os materiais semicondutores de segunda geração referem-se principalmente a materiais semicondutores compostos, como arseneto de gálio (GaAs) e fosfeto de índio (InP), e também incluem semicondutores compostos ternários, como GaAsAl, GaAsP e alguns semicondutores de solução sólida, como Ge- Si, GaAs-GaP, semicondutores de vidro (também chamados de semicondutores amorfos), silício amorfo, semicondutores de óxido vítreo, semicondutores orgânicos, como ftalocianina, ftalocianina de cobre, poliacrilonitrila, etc.

Os materiais semicondutores de terceira geração referem-se a materiais semicondutores de gap largo, representados porcarboneto de silício (SiC),nitreto de gálio (GaN)e óxido de zinco (ZnO). Em termos de aplicação, de acordo com o desenvolvimento de semicondutores de terceira geração, suas principais aplicações são iluminação de semicondutores, dispositivos eletrônicos de potência, lasers e detectores, e os outros quatro campos. Semicondutores de largo bandgap ainda estão em fase de pesquisa e desenvolvimento de laboratório.

Os materiais semicondutores de quarta geração são principalmente materiais semicondutores de banda ultra larga (UWBG), representados por diamante (C), óxido de gálio (Ga2O3) semicondutor e nitreto de alumínio (AlN), com uma lacuna de banda superior a 4eV e ultra- materiais semicondutores de gap de banda estreita (UNBG). O antimonídeo (GaSb, InSb) é o material semicondutor representativo de gap ultra-estreito (UNBG). Na aplicação, o material de gap de Ga2O3 ultralargo se sobreporá ao material de terceira geração, que principalmente tem vantagens características mais proeminentes no campo de dispositivos de energia; enquanto devido à fácil excitação e alta mobilidade do material de gap ultra-estreito, ele é usado principalmente para detectores e lasers.

2.As características de óxido de gálioSemicondutor

O óxido de gálio é um óxido de gálio metálico e também é um composto semicondutor. Possui 5 formas cristalinas confirmadas, α, β, γ, δ e ε. Até agora, entre eles, a fase β é a mais estável. Considere os materiais semicondutores de óxido de gálio produzidos pela PAM-XIAMEN como um exemplo na parte seguinte.

A maioria dos relatórios de pesquisa da indústria relacionados ao crescimento do cristal de óxido de gálio (Ga2O3) e às propriedades do Ga2O3 na física usam a fase β, e a fase β também é amplamente utilizada em pesquisa e desenvolvimento doméstico. A fase β tem uma única estrutura cristalina de Ga2O3 chamada “β-gallia”. O gap da fase β é muito grande, atingindo 4,8 a 4,9 eV, que é mais de 4 vezes o do Si, e também excede 3,3 eV do SiC e 3,4 eV do GaN (Tabela 1 é mostrada abaixo). Em circunstâncias normais, a lacuna da banda de óxido de gálio é grande e a intensidade do campo elétrico de ruptura também. A intensidade do campo de decomposição do Ga2O3 da fase β é estimada em cerca de 8MV / cm, o que é mais de 20 vezes maior do que o Si, o que é equivalente a mais do que o dobro do SiC e GaN. Atualmente, as instituições de pesquisa já fabricaram dispositivos de 6,8MV / cm.

Material	Bandgap / eV	Ponto de fusão / ℃	Mobilidade de elétrons （cm2 * V-1 * s-1）	Velocidade de saturação de elétrons / （107 cm * s-1）	Quebra do campo elétrico / （108 V * m-1）	Constante dielétrica	Condutividade térmica （W * cm-1 * K-1）	Mérito 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
Diamante	5.5	3800	2200	3	10	5.5	22	24664
Óxido de gálio	4.8-4.9	1740	300	2.42	8	10	0.27	3444
Nitreto de boro	6	>2937	-1500	1.9	-8	7.1	13	12224

 

Embora a fase β tenha excelentes propriedades físicas, ela possui baixa mobilidade e condutividade térmica, dificuldade na fabricação de semicondutores do tipo p, que é inferior ao SiC e GaN. No entanto, pesquisas atuais mostram que esses aspectos não terão muito impacto nas características dos componentes de potência, pois o desempenho dos dispositivos de potência depende em grande parte da intensidade do campo elétrico de ruptura. Quanto à fase β, a “figura do mérito de Baliga” como indicador de baixas perdas é proporcional à 3ª potência da força do campo elétrico de ruptura e proporcional à 1ª potência da mobilidade.

O índice de desempenho Baliga foi proposto pelo Sr. Jayant Baliga, que esteve envolvido em pesquisa e desenvolvimento de semicondutores de potência por muitos anos na General Electric nos Estados Unidos. É usado para a avaliação de desempenho de Dispositivos Unipolares, como Power MOSFETs. Existem “BFOM (Figura de Mérito de Baliga)”, que quantifica a perda teórica de baixa frequência, e “BHFFOM (Figura de Mérito de Alta Frequência de Baliga)”, que quantifica a perda teórica de alta frequência. No campo de P&D de semicondutores de potência, o BFOM de baixa frequência é amplamente utilizado.

Comparação das características de materiais e componentes semicondutores de potência
	Silício	4H-SiC	GaN	β-Ga2O3
Componentes de alta tensão	Produção em massa	Produção em massa	Em desenvolvimento	Fase de pesquisa
Componentes de média tensão suportável	Produção em massa	Produção em massa	Produção em massa	Estágio de desenvolvimento
Resistência ON do elemento	Um pouco mais alto	Baixo	Baixo	Muito baixo
Índice de desempenho de perda de baixa frequência (valor relativo de BFOM)	1	500	900	3.000 (muito alto)
Força do campo de decomposição (MV / cm)	0.3	2.8	3.5	8 (valor estimado)
Condutividade térmica (W / (cm * K))	1.5	4.9	2	0,1-0,3 (baixo)
Custo do substrato (wafer)	Extremamente baixo	Alto	Muito alto (substrato de GaN)	Baixo (estágio de pesquisa)
Band Cap （Ev）	1.1	3.3	3.4	4.8-4.9
Elemento vertical	Produção em massa	Produção em massa	Em desenvolvimento (um pouco difícil)	Fase de desenvolvimento (muito provável)

• β-Ga2O3_{o material é da Xiamen Powerway Advanced Material Co., Ltd. (PAM-XIAMEN)}

Devido à alta figura Balijia de mérito da fase β, ao fabricar dispositivos de potência unipolares com a mesma tensão suportável, a resistência do componente é muito menor do que a de SiC ou GaN. Dados experimentais mostram que reduzir a resistência ligada é benéfico para reduzir a perda de energia do circuito de força quando ele é ligado. O uso de dispositivos de Ga2O3 de energia de fase β pode não apenas reduzir a perda de energia durante a ativação, mas também reduzir a perda durante a comutação, porque os componentes unipolares podem ser usados ​​em aplicações de alta tensão suportável acima de 1kV. β-Ga2O3 é adequado para eletrônicos e optoeletrônicos de largo bandgap.

Por exemplo, existe um transistor unipolar (MOSFET) que usa uma película protetora para reduzir a concentração do campo elétrico para o portão, e sua tensão suportável pode atingir 3k a 4kV. Se o silício for usado, um elemento bipolar deve ser usado quando a tensão suportável for 1kV. Mesmo se SiC com uma tensão suportável mais alta for usado, um elemento bipolar deve ser usado quando a tensão suportável for 4kV. Dispositivos bipolares usam elétrons e lacunas como portadores. Em comparação com dispositivos unipolares que usam apenas elétrons como portadores, a geração e o desaparecimento de portadores no canal será um tempo dispendioso durante as operações de ativação e desativação. A perda tende a ser grande.

Em termos de condutividade térmica do óxido de gálio, se este parâmetro for baixo, é difícil para dispositivos de energia trabalharem em altas temperaturas. No entanto, a temperatura de operação na prática geralmente não excede 250 ° C, portanto, não haverá efeito na operação na aplicação. Uma vez que a temperatura resistente ao calor dos materiais de embalagem, fiação, solda e resina de vedação usados ​​em módulos e circuitos de energia encapsulados com dispositivos de energia não é superior a 250 ° C, a temperatura operacional dos dispositivos de energia também deve ser controlada abaixo deste nível.

De outra perspectiva, o substrato natural de fácil fabricação, o controle da concentração de portadores e a estabilidade térmica inerente também promoveram o desenvolvimento de dispositivos de óxido de gálio. Artigos relacionados expressos, quando Substrato de Ga2O3é tipo N dopado com Si ou Sn, pode-se conseguir uma boa controlabilidade.

Embora alguns semicondutores UWBG (como nitreto de alumínio AlN, nitreto de boro cúbico c-BN e diamante) tenham mais vantagens do que semicondutores de óxido de gálio no gráfico BFOM, sua preparação de material e processamento de dispositivo são estritamente limitados. Em outras palavras, AlN, c-BN e diamante ainda carecem de acúmulo de tecnologia para industrialização em larga escala.

Estatísticas relevantes mostram que a perda de semicondutor de óxido de gálio é teoricamente 1 / 3.000 de silício, 1/6 de carboneto de silício e 1/3 de nitreto de gálio. Para reduzir a perda em 86%. As pessoas do setor têm grandes expectativas em relação ao futuro. E o custo é outro fator importante para atrair a atenção da indústria

O método PVT é comumente usado na produção de lingotes de SiC. O SiC sólido é aquecido a 2500 ° C para sublimação e então recristalizado em um cristal de semente de SiC de alta qualidade com uma temperatura ligeiramente mais baixa. As principais dificuldades são:

1) A temperatura de aquecimento chega a 2500 ℃ e a taxa de crescimento do SiC é muito lenta (<1 mm / h);

2) O tamanho do lingote de cristal crescido é muito menor do que o do Si;

3) Os requisitos para o cristal semente são muito altos, e ele precisa ter as características de alta qualidade e consistentes com o diâmetro do cristal exigido;

4) A dureza do lingote de SiC é relativamente alta, sendo difícil de processar e polir;

Com base em substratos de SiC, a deposição química de vapor (CVD) é comumente usada para obter camadas epitaxiais de alta qualidade e, em seguida, dispositivos de energia são fabricados nas camadas epitaxiais. O wafer de substrato de SiC tem uma densidade de defeito mais alta do que o Si, o que interfere ainda mais no crescimento da camada epitaxial. A própria camada epitaxial também produzirá defeitos cristalinos, que afetarão o desempenho dos dispositivos subsequentes.

Ga2O3, como a safira, pode ser transformado de um estado de solução para um estado de cristal único em massa (Bulk). Na verdade, usando o mesmo método de molde guiado EFG (Edge-defined Film-fed Growth) que a tecnologia de produção de wafer de safira, a Japan NCT tentou produzir wafer de óxido de gálio com um diâmetro máximo de 6 polegadas (150 mm) e um diâmetro de 2 polegadas (50 mm) wafers foram vendidos para fins de pesquisa e desenvolvimento. Este processo é caracterizado por alto rendimento, baixo custo, taxa de crescimento rápido e tamanho de cristal de grande crescimento.

O “método de atomização” usado pela Flosfia produziu wafer de Ga2O3 de fase α de 100 mm (4 polegadas) e o custo é próximo ao do silício. Mas os materiais de carboneto de silício (SiC) e nitreto de gálio (GaN) só podem ser preparados pelo “método da fase gasosa” hoje em dia, e os custos futuros continuarão altos devido ao alto custo do substrato. Para o semicondutor de óxido de gálio, em comparação com as tecnologias atuais de SiC e GaN de gap largo, o filme fino de óxido de gálio natural de alta qualidade e grande porte terá vantagens de custo únicas e significativas.

3. Atual Stato de Rpesquisar e Ddesenvolvimento e Industrialização de Gallium Oxide

Por ter tantas vantagens, o óxido de gálio é considerado uma tecnologia com perspectivas mais amplas do que o nitreto de gálio.

SiC ou GaN. Do ponto de vista da divisão do trabalho na cadeia industrial, Cree, Rohm e ST já formaram um sistema de abastecimento vertical de SiC substrato → epitaxia → dispositivo → módulo. Fabricantes, como Infineon, Bosch, OnSemi, etc., compram substratos e, em seguida, conduzem o crescimento epitaxial de Ga2O3 por si próprios e fazem dispositivos e módulos.

Em termos de máquinas digitais, como veículos elétricos e eletrodomésticos “baratos” que têm requisitos de custo rígidos, mesmo que o carboneto de silício e o nitreto de gálio tenham um desempenho excelente, os fabricantes dificilmente podem aceitar seus preços. Os problemas de custo impedem a indústria de adotar novos materiais semicondutores. O “Método de secagem por pulverização” da FLOSFIA (MistDry) primeiro dissolve o óxido de gálio em uma solução misturada com dezenas de fórmulas e, em seguida, pulveriza a solução no substrato de safira em forma de névoa. Cristais de óxido de gálio foram formados antes da secagem da solução no substrato de safira. Desta forma, o filme fino de Ga2O3 é obtido diretamente do estado líquido, sem um ambiente de alta temperatura e ultra-limpo, fabricando o wafer de Ga2O3 a um custo ultrabaixo.

Esse tipo de solução é líquida à temperatura ambiente, e a temperatura de evaporação não precisa chegar a 1.500 graus, bastam algumas centenas de graus; e o ambiente para fazer cristais é o ar em temperatura ambiente, sem nenhum procedimento de alto custo. Se o tamanho pequeno for considerado, é possível que um semicondutor com o mesmo preço e melhor desempenho do que o silício possa ser fabricado.

Devido às propriedades do material, alguns especialistas acreditam que o semicondutor de óxido de gálio não pode ser usado para fazer semicondutores do tipo P. No entanto, Shizuo Fujita da Universidade de Kyoto e Flosfia desenvolveram com sucesso um transistor normalmente desligado de dispositivos G2aO3 (MOSFET) com uma estrutura de safira em 2016. Uma vez que o material de óxido de gálio substitua o material de silício amplamente usado atualmente, ele reduzirá 14,4 milhões de toneladas de emissões de dióxido de carbono todo ano.

4. As características da indústria de semicondutores de potência são adequadas para o crescimento explosivo de dispositivos de óxido de gálio

Os semicondutores de potência são usados ​​em todos os campos da eletrônica de potência e o mercado está maduro e estável, com crescimento lento. No entanto, a indústria sempre busca maior potência (carga e descarga mais rápidas), economia de energia mais eficiente (calor reduzido, mais seguro e ecologicamente correto), menor tamanho e peso (mais portátil e mais fácil de instalar e manter) e menor custo (Ga2O3 mais amplo aplicações e mercados). Portanto, nos últimos anos, novos campos de aplicação, como veículos de energia nova, geração de energia de energia renovável, eletrodomésticos de conversão de frequência e carregamento rápido, deram início a um novo e enorme crescimento.

①Recurso da indústria 1: Não há necessidade de acompanhar a Lei de Moore. Geralmente, o processo de fabricação de 0,18 ~ 0,5um pode ser usado. Baseia-se na qualidade dos materiais e tem elevados requisitos no processo de produção de materiais e dispositivos. Devido à tendência geral de integração e modularização, novos designs de embalagens precisam ser desenvolvidos.

Procedimento de design: o circuito semicondutor de potência tem uma estrutura simples e não precisa investir muito capital em arquitetura, IP, conjunto de instruções, processo de design, ferramentas de software, etc.

Fabricação: como não há necessidade de acompanhar a Lei de Moore, a linha de produção não depende muito de equipamentos avançados e o dispêndio geral de capital é pequeno.

Embalagem: pode ser dividida em embalagem de dispositivo discreta e embalagem de módulo. Como os dispositivos de energia têm requisitos de confiabilidade muito altos, designs e materiais especiais são necessários, e o valor do processamento subsequente é responsável por mais de 35%, o que é muito mais alto do que 10% dos chips lógicos digitais comuns. Atualmente, de acordo com os projetos de pesquisa e layout de produtos, muitas empresas estão começando a se transformar em produtos de médio a alto valor com maior valor.

②Recurso da indústria 1: A indústria de semicondutores de potência geralmente adota o modo IDM, que é mais adequado para empresas se tornarem maiores e mais fortes. Embora as empresas de substrato e epitaxia possam se tornar partes separadas, e os procedimentos de design e fabricação do chip devam ser integrados, caso contrário, a capacidade de fazer progresso tecnológico será perdida e a capacidade de produção será limitada. Portanto, a terceirização só pode ser usada como um complemento à capacidade de produção de produtos de baixo custo.

③Recurso da indústria 2: Novos veículos de energia e outras aplicações emergentes continuam a promover o surgimento de novos materiais semicondutores.

Os materiais de quarta geração têm potencial para cooperar com semicondutores de terceira geração para substituir materiais de silício em cenários de aplicação de alta potência e alta frequência. Toda a indústria está em fase inicial de industrialização.

Impulsionada pelas demandas do mercado emergente, como novos veículos de energia, 5G, carregamento rápido e potenciais mercados de substituição de silício, a atual pesquisa e industrialização em profundidade são baseadas principalmente em SiC e GaN. A reserva técnica de Ga2O3 é fraca, então as empresas com essa tecnologia enfrentam menos pressão competitiva.

A principal dificuldade do semicondutor de quarta geração - semicondutor de óxido de gálio está na preparação de materiais. Avanços no lado material ganharão grande valor de mercado.

Para obter mais informações, entre em contato conosco pelo e-mail victorchan@powerwaywafer.com e powerwaymaterial@gmail.com.