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. Gвдохновляющий Cизменение Sполупроводник Materials
Прежде всего, нам нужно знать положение каждого поколения полупроводников:
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.
Полупроводниковые материалы второго поколения в основном относятся к составным полупроводниковым материалам, таким как арсенид галлия (GaAs) и фосфид индия (InP), а также включают полупроводники с тройными соединениями, такие как GaAsAl, GaAsP, и некоторые полупроводники в твердых растворах, такие как Ge- Si, GaAs-GaP, стеклянные полупроводники (также называемые аморфными полупроводниками), аморфный кремний, стеклооксидные полупроводники, органические полупроводники, такие как фталоцианин, фталоцианин меди, полиакрилонитрил и т. Д.
Полупроводниковые материалы третьего поколения относятся к широкозонным полупроводниковым материалам, представленнымкарбид кремния (SiC),нитрид галлия (GaN), и оксид цинка (ZnO). С точки зрения применения, согласно развитию полупроводников третьего поколения, его основными приложениями являются полупроводниковое освещение, силовые электронные устройства, лазеры и детекторы, а также четыре других области. Полупроводники с широкой запрещенной зоной все еще находятся на стадии лабораторных исследований и разработок.
Полупроводниковые материалы четвертого поколения - это в основном полупроводниковые материалы со сверхширокой запрещенной зоной (UWBG), представленные полупроводником из алмаза (C), оксида галлия (Ga2O3) и нитрида алюминия (AlN) с шириной запрещенной зоны, превышающей 4 эВ, и сверхвысокой полупроводниковые материалы с узкой запрещенной зоной (UNBG). Антимонид (GaSb, InSb) представляет собой типичный полупроводниковый материал со сверхузкой запрещенной зоной (UNBG). При применении материал сверхширокой запрещенной зоны Ga2O3 будет перекрываться с материалом третьего поколения, который в основном имеет более заметные характерные преимущества в области силовых устройств; в то время как из-за легкого возбуждения и высокой подвижности материала со сверхузкой запрещенной зоной он в основном используется для детекторов и лазеров.
2.Характеристики оксида галлияПолупроводник
Оксид галлия - это оксид металлического галлия, а также полупроводниковое соединение. Он имеет 5 подтвержденных кристаллических форм: α, β, γ, δ и ε. До сих пор среди них наиболее стабильной является β-фаза. Возьмем полупроводниковые материалы из оксида галлия, производимые PAM-XIAMEN, в качестве примера в следующей части.
β-фаза кристаллическая структура оксида галлия
В большинстве отраслевых исследовательских отчетов, касающихся роста кристаллов оксида галлия (Ga2O3) и свойств Ga2O3 в физике, используется β-фаза, а β-фаза также широко используется в отечественных исследованиях и разработках. Β-фаза имеет единственную кристаллическую структуру Ga2O3, называемую «β-галлием». Ширина запрещенной зоны β-фазы очень велика, достигая 4,8–4,9 эВ, что более чем в 4 раза больше, чем у Si, а также превышает 3,3 эВ для SiC и 3,4 эВ для GaN (таблица 1 показана ниже). В нормальных условиях ширина запрещенной зоны оксида галлия велика, и напряженность электрического поля пробоя будет большой. Напряженность поля пробоя Ga2O3 β-фазы оценивается примерно в 8 мВ / см, что более чем в 20 раз больше, чем у Si, что более чем в два раза больше, чем у SiC и GaN. В настоящее время научно-исследовательскими учреждениями фактически изготовлены приборы на 6,8 МВ / см.
| Материал | Ширина запрещенной зоны / эВ | Точка плавления / ℃ | Подвижность электронов (см2 * В-1 * с-1) | Скорость насыщения электронами / （107 см * с-1） | Электрическое поле пробоя / （108 В * м-1） | Диэлектрическая постоянная | Теплопроводность (Вт * см-1 * K-1) | Баллига Мерит |
| си | 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 |
| Алмаз | 5.5 | 3800 | 2200 | 3 | 10 | 5.5 | 22 | 24664 |
| Окись галлия | 4.8-4.9 | 1740 | 300 | 2.42 | 8 | 10 | 0.27 | 3444 |
| Нитрид бора | 6 | >2937 | -1500 | 1.9 | -8 | 7.1 | 13 | 12224 |
В то время как β-фаза имеет отличные физические свойства, она имеет низкую подвижность и теплопроводность, сложность в производстве полупроводников p-типа, которая уступает SiC и GaN. Однако текущие исследования показывают, что эти аспекты не будут иметь большого влияния на характеристики силовых компонентов, поскольку производительность силовых устройств во многом зависит от напряженности электрического поля пробоя. Что касается β-фазы, то «добротность Балиги» как показатель малых потерь пропорциональна 3-й степени напряженности электрического поля пробоя и пропорциональна 1-й степени подвижности.
Индекс производительности Baliga был предложен г-ном Джаянтом Балигой, который много лет занимался исследованиями и разработками силовых полупроводников в General Electric в США. Он используется для оценки производительности униполярных устройств, таких как силовые полевые МОП-транзисторы. Есть «BFOM (показатель достоинств Балиги)», который количественно определяет теоретические потери низких частот, и «BHFFOM (показатель достоинств высоких частот Балиги)», который количественно определяет теоретические потери высоких частот. В области исследований и разработок силовых полупроводников широко используются низкочастотные BFOM.
| Сравнение характеристик силовых полупроводниковых материалов и компонентов | ||||
| кремний | 4H-SiC, | GaN | β-Ga2O3 | |
| Компоненты высокого напряжения | Массовое производство | Массовое производство | В разработке | Фаза исследования |
| Компоненты среднего выдерживаемого напряжения | Массовое производство | Массовое производство | Массовое производство | Стадия развития |
| НА сопротивление элемента | Чуть выше | Низкий | Низкий | Очень низкий |
| Индекс низкочастотных потерь (относительное значение BFOM) | 1 | 500 | 900 | 3000 (очень высокий) |
| Напряженность поля пробоя (МВ / см) | 0.3 | 2.8 | 3.5 | 8 (Ориентировочная стоимость) |
| Теплопроводность (Вт / (см * К)) | 1.5 | 4.9 | 2 | 0,1-0,3 (низкий) |
| Стоимость подложки (вафли) | Чрезвычайно низкий | Высокий | Очень высокий (подложка GaN) | Низкий (стадия исследования) |
| Крышка ремешка (Ev) | 1.1 | 3.3 | 3.4 | 4.8-4.9 |
| Вертикальный элемент | Массовое производство | Массовое производство | В разработке (немного сложно) | Фаза разработки (очень вероятно) |
- β-Ga2O3Материал предоставлен компанией Xiamen Powerway Advanced Material Co., Ltd. (PAM-XIAMEN).
Из-за высокой добротности β-фазы при производстве униполярных силовых устройств с одинаковым выдерживаемым напряжением сопротивление компонента в открытом состоянии намного ниже, чем у SiC или GaN. Экспериментальные данные показывают, что уменьшение сопротивления в открытом состоянии способствует уменьшению потерь мощности в силовой цепи при ее включении. Использование энергии β-фазы в устройствах с Ga2O3 может не только снизить потери мощности при включении, но также уменьшить потери при переключении, поскольку униполярные компоненты могут использоваться в приложениях с высоким выдерживаемым напряжением выше 1 кВ. β-Ga2O3 подходит для широкозонной электроники и оптоэлектроники.
Например, есть униполярный транзистор (MOSFET), в котором используется защитная пленка для уменьшения концентрации электрического поля на затворе, а его выдерживаемое напряжение может достигать 3–4 кВ. Если используется кремний, необходимо использовать биполярный элемент, когда выдерживаемое напряжение составляет 1 кВ. Даже если используется SiC с более высоким выдерживаемым напряжением, необходимо использовать биполярный элемент, когда выдерживаемое напряжение составляет 4 кВ. Биполярные устройства используют в качестве носителей электроны и дырки. По сравнению с униполярными устройствами, которые используют только электроны в качестве носителей, генерация и исчезновение носителей в канале будет дорогостоящим временем во время операций включения и выключения. Потери, как правило, большие.
По теплопроводности оксида галлия, если этот параметр низкий, силовым устройствам сложно работать при высоких температурах. Однако на практике рабочая температура, как правило, не превышает 250 ° C, поэтому это не повлияет на работу в приложении. Поскольку термостойкая температура упаковочных материалов, проводки, припоя и герметизирующей смолы, используемых в модулях и силовых цепях, инкапсулированных с силовыми устройствами, не превышает 250 ° C, рабочую температуру силовых устройств также следует контролировать ниже этого уровня.
С другой стороны, простой в изготовлении натуральный субстрат, контроль концентрации носителей и присущая им термическая стабильность также способствовали разработке устройств на основе оксида галлия. Связанные документы выражены, когда Подложка Ga2O3легирован Si или Sn типа N, может быть достигнута хорошая управляемость.
Хотя некоторые полупроводники UWBG (такие как нитрид алюминия AlN, кубический нитрид бора c-BN и алмаз) имеют больше преимуществ, чем полупроводник из оксида галлия в таблице BFOM, их подготовка материалов и обработка устройств строго ограничены. Другими словами, AlN, c-BN и алмаз все еще не накопили технологий для крупномасштабной индустриализации.
Сравнение характеристик основных материалов
Соответствующие статистические данные показывают, что потери полупроводникового оксида галлия теоретически составляют 1/3 000 кремния, 1/6 карбида кремния и 1/3 нитрида галлия. Чтобы уменьшить потери на 86%. Люди в отрасли возлагают большие надежды на ее будущее. Стоимость - еще один важный фактор, привлекающий внимание отрасли.
Метод PVT обычно используется при производстве слитков SiC. Твердый SiC нагревают до 2500 ° C для сублимации, а затем перекристаллизовывают на высококачественном затравочном кристалле SiC при несколько более низкой температуре. Основные трудности:
1) Температура нагрева достигает 2500 ℃, а скорость роста SiC очень низкая (<1 мм / ч);
2) размер выращенного кристаллического слитка намного меньше размера Si;
3) Требования к затравочному кристаллу очень высоки, и он должен иметь характеристики высокого качества и соответствовать требуемому диаметру кристалла;
4) твердость слитка SiC относительно высока, его трудно обрабатывать и полировать;
На основе подложек SiC обычно используется химическое осаждение из паровой фазы (CVD) для получения высококачественных эпитаксиальных слоев, а затем на эпитаксиальных слоях изготавливаются силовые устройства. Пластина подложки SiC имеет более высокую плотность дефектов, чем Si, что в дальнейшем будет препятствовать росту эпитаксиального слоя. Сам эпитаксиальный слой также создает кристаллические дефекты, которые влияют на работу последующих устройств.
Ga2O3, как и сапфир, может переходить из состояния раствора в состояние объемного (объемного) монокристалла. Фактически, используя тот же метод направляемой формы EFG (Edge-defined Film-Feed Growth), что и технологию производства сапфировых пластин, Japan NCT попытался произвести пластину из оксида галлия с максимальным диаметром 6 дюймов (150 мм) и Пластины диаметром 2 дюйма (50 мм) были проданы в исследовательских и опытно-конструкторских целях. Этот процесс характеризуется высоким выходом, низкой стоимостью, высокой скоростью роста и большим размером кристаллов роста.
«Метод распыления», использованный Flosfia, позволил получить 4-дюймовую (100 мм) пластину из α-фазы Ga2O3, стоимость которой близка к стоимости кремния. Но материалы из карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN) в настоящее время могут быть получены только «газофазным методом», и в будущем затраты будут оставаться высокими из-за высокой стоимости подложки. Для полупроводников из оксида галлия, по сравнению с современными технологиями SiC и GaN с широкой запрещенной зоной, высококачественная тонкая пленка из природного оксида галлия большого размера будет иметь уникальные и значительные преимущества по стоимости.
3. Текущие Sстатус Research и Dразвитие и Iиндустриализация Gлук OXide
Из-за множества преимуществ оксид галлия считается технологией с более широкими перспективами, чем нитрид галлия.
SiC или GaN. С точки зрения разделения труда в производственной цепочке Cree, Rohm и ST уже сформировали вертикальную систему подачи SiC-подложка → эпитаксия → устройство → модуль. Такие производители, как Infineon, Bosch, OnSemi и т. Д., Покупают подложки, затем сами проводят эпитаксиальное выращивание Ga2O3 и изготавливают устройства и модули.
Что касается цифровых машин, таких как электромобили и «дешевая» бытовая техника, которые имеют строгие требования к стоимости, даже если карбид кремния и нитрид галлия имеют отличные характеристики, производители с трудом могут согласиться с их ценами. Проблемы со стоимостью не позволяют отрасли внедрять новые полупроводниковые материалы. «Метод распылительной сушки» FLOSFIA (MistDry) сначала растворяет оксид галлия в растворе, смешанном с десятками формул, а затем распыляет раствор на сапфировую подложку в виде тумана. Кристаллы оксида галлия формировались до высыхания раствора на сапфировой подложке. Таким образом, тонкая пленка Ga2O3 получается непосредственно из жидкого состояния, без высокотемпературной сверхчистой среды, при производстве пластины Ga2O3 по сверхнизкой цене.
Такой раствор жидкий при комнатной температуре, причем температура испарения не обязательно должна достигать 1500 градусов, достаточно нескольких сотен градусов; а среда для изготовления кристаллов - воздух комнатной температуры без каких-либо дорогостоящих процедур. Если рассматривать малый размер, возможно, что можно будет изготовить полупроводник с такой же ценой и лучшими характеристиками, чем кремний.
Некоторые эксперты считают, что из-за свойств материала полупроводник из оксида галлия не может быть использован для изготовления полупроводников P-типа. Тем не менее, Шизуо Фудзита из Киотского университета и Flosfia успешно разработали нормально-выключенный транзистор (MOSFET) для устройств G2aO3 с сапфировой структурой в 2016 году. После того, как материал на основе оксида галлия заменит широко используемый в настоящее время кремний, это снизит выбросы диоксида углерода на 14,4 миллиона тонн. каждый год.
4. Промышленные характеристики силовых полупроводников подходят для взрывного роста устройств на основе оксида галлия.
Силовые полупроводники используются во всех областях силовой электроники, и рынок является зрелым и стабильным с медленным ростом. Однако промышленность всегда стремится к более высокой мощности (более быстрая зарядка и разрядка), более эффективному энергосбережению (меньшее тепловыделение, безопасность и экологичность), меньшим размерам и весу (более портативным, более простым в установке и обслуживании) и более низкой стоимости (более широкий Ga2O3 приложений и маркетов). Поэтому в последние годы новые области применения, такие как транспортные средства на новой энергии, производство энергии из возобновляемых источников, бытовые приборы с преобразованием частоты и быстрая зарядка, открыли новый огромный рост.
①Отраслевая характеристика 1: нет необходимости догонять закон Мура. Как правило, можно использовать производственный процесс 0,18 ~ 0,5 мкм. Он делает ставку на качество материалов и предъявляет высокие требования к процессу производства материалов и устройств. В связи с общей тенденцией к интеграции и модульности необходимо разрабатывать новые конструкции упаковки.
Процедура проектирования: силовая полупроводниковая схема имеет простую структуру и не требует значительных капиталовложений в архитектуру, IP, набор инструкций, процесс проектирования, программные инструменты и т. Д.
Производство: поскольку нет необходимости догонять закон Мура, производственная линия не сильно зависит от современного оборудования, а общие капитальные затраты невелики.
Упаковка: ее можно разделить на отдельную упаковку устройства и модульную упаковку. Поскольку к силовым устройствам предъявляются очень высокие требования к надежности, требуются специальные конструкции и материалы, а стоимость последующей обработки составляет более 35%, что намного превышает 10% обычных микросхем цифровой логики. В настоящее время, согласно исследовательским проектам и макету продукта, многие предприятия начинают переходить на продукты среднего и высокого класса с более высокой стоимостью.
②Промышленная особенность 1: промышленность силовых полупроводников обычно использует режим IDM, который больше подходит для предприятий, которые становятся больше и сильнее. Хотя компании по производству подложек и эпитаксии могут стать отдельными частями, а процессы проектирования и производства микросхем должны быть интегрированы, в противном случае будет потеряна возможность достижения технического прогресса и производственные мощности будут ограничены. Таким образом, аутсорсинг можно использовать только как дополнение к производственным мощностям недорогой продукции.
③Промышленная характеристика 2: Транспортные средства на новой энергии и другие появляющиеся приложения продолжают способствовать появлению новых полупроводниковых материалов.
Материалы четвертого поколения могут взаимодействовать с полупроводниками третьего поколения для замены кремниевых материалов в сценариях применения с высокой мощностью и высокой частотой. Вся отрасль находится на начальной стадии индустриализации.
В связи с потребностями развивающихся рынков, такими как новые источники энергии, 5G, быстрая зарядка и потенциальные рынки замены кремния, текущие углубленные исследования и индустриализация в основном основаны на SiC и GaN. Технический резерв Ga2O3 невелик, поэтому компании с такой технологией сталкиваются с меньшим давлением со стороны конкурентов.
Основная трудность полупроводника четвертого поколения - полупроводника оксида галлия заключается в получении материалов. Прорывы в материальной сфере приобретут большую рыночную стоимость.
Для получения дополнительной информации, пожалуйста, свяжитесь с нами по электронной почте по адресу victorchan@powerwaywafer.com и powerwaymaterial@gmail.com.