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. Generational Change av Shalvledare Mflygplan

Först och främst måste vi känna till situationen för varje generation halvledare:

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.

Andra generationens halvledarmaterial avser huvudsakligen sammansatta halvledarmaterial, såsom galliumarsenid (GaAs) och indiumfosfid (InP), och inkluderar även ternära sammansatta halvledare, såsom GaAsAl, GaAsP, och några halvledare med fast lösning, såsom Ge- Si, GaAs-GaP, glashalvledare (även kallade amorfa halvledare), amorft kisel, glasoxid halvledare, organiska halvledare, som ftalocyanin, kopparftalocyanin, polyakrylnitril, etc.

Tredje generationens halvledarmaterial avser halvledarmaterial med breda gap, representerade avkiselkarbid (SiC),galliumnitrid (GaN)och zinkoxid (ZnO). Enligt applikationen, enligt utvecklingen av tredje generationens halvledare, är dess huvudsakliga applikationer halvledarbelysning, kraftelektroniska enheter, lasrar och detektorer och de andra fyra fälten. Halvledare med breda bandgap befinner sig fortfarande i laboratorieforsknings- och utvecklingsfasen.

Fjärde generationens halvledarmaterial är huvudsakligen halvledarmaterial med ultrabrett bandgap (UWBG), representerade av diamant (C), galliumoxid (Ga2O3) halvledare och aluminiumnitrid (AlN), med ett bandgap som överstiger 4eV och ultra- smalband gap (UNBG) halvledarmaterial. Antimonide (GaSb, InSb) är det representativa halvledarmaterialet för ultra-smalt band gap (UNBG). I applikationen kommer det ultrabreda Ga2O3-bandgapsmaterialet att överlappa med tredje generationens material, vilket huvudsakligen har mer framträdande karakteristiska fördelar inom kraftenheter; på grund av enkel excitation och hög rörlighet hos det ultra-smala bandgapmaterialet används det främst för detektorer och lasrar.

2.Egenskaperna av galliumoxidHalvledare

Galliumoxid är en oxid av metalliskt gallium, och det är också en halvledarförening. Den har 5 bekräftade kristallina former, α, β, γ, δ och ε. Hittills är β-fasen den mest stabila bland dem. Ta galliumoxid halvledarmaterial som produceras av PAM-XIAMEN som ett exempel i följande del.

De flesta av industrins forskningsrapporter relaterade till galliumoxid (Ga2O3) kristalltillväxt och Ga2O3-egenskaper i fysik använder β-fas, och β-fas används också i stor utsträckning inom inhemsk forskning och utveckling. Β-fasen har en enda Ga2O3-kristallstruktur som kallas "β-gallia". Bandgapet för β-fasen är mycket stort och når 4,8 till 4,9 eV, vilket är mer än fyra gånger det för Si, och överstiger också 3,3 eV av SiC och 3,4 eV av GaN (Tabell 1 visas nedan). Under normala omständigheter är galliumoxidbandgapet stort och nedbrytningen av det elektriska fältets styrka kommer att vara stor. Ga2O3-nedbrytningsfältstyrkan för β-fasen uppskattas vara cirka 8MV / cm, vilket är mer än 20 gånger den för Si, vilket motsvarar mer än dubbelt så mycket som SiC och GaN. För närvarande har forskningsinstitutioner faktiskt tillverkat 6,8 MV / cm-enheter.

Material	Bandgap / eV	Smältpunkt / ℃	Elektronmobilitet （cm2 * V-1 * s-1）	Elektronmättnadshastighet / （107 cm * s-1）	Elektrisk fältstörning / （108 V * m-1）	Dielektrisk konstant	Värmeledningsförmåga （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
Galliumoxid	4.8-4.9	1740	300	2.42	8	10	0.27	3444
Bor nitrid	6	>2937	-1500	1.9	-8	7.1	13	12224

 

Medan β-fasen har utmärkta fysikaliska egenskaper, har den låg rörlighet och värmeledningsförmåga, svårighet att tillverka halvledare av p-typ, vilket är sämre än SiC och GaN. Nuvarande forskning visar dock att dessa aspekter inte kommer att ha stor inverkan på egenskaperna hos kraftkomponenter, eftersom kraftenheternas prestanda till stor del beror på styrkan i det elektriska fältet för nedbrytning. När det gäller β-fas är "Baligas meritvärde" som en indikator med låg förlust proportionell mot den tredje kraften i det elektriska fältets styrka och proportionell mot mobilitetens första effekt.

Baliga-prestandaindex föreslogs av Mr. Jayant Baliga, som under många år varit engagerad i forskning och utveckling av kraftledare vid General Electric i USA. Den används för utvärdering av prestanda för Unipolära enheter, som Power MOSFET. Det finns "BFOM (Baligas meritfigur)", som kvantifierar den teoretiska förlusten av låg frekvens, och "BHFFOM (Baligas högfrekventa meriteringsgrad)", som kvantifierar den teoretiska förlusten av hög frekvens. Inom området för halvledares FoU-kraft används lågfrekvent BFOM i stor utsträckning.

Jämförelse av egenskaperna hos kraftledande material och komponenter
	Kisel	4H-SiC	GaN	β-Ga2O3
Högspänningskomponenter	Massproduktion	Massproduktion	Under utveckling	Forskningsfas
Medel motstå spänningskomponenter	Massproduktion	Massproduktion	Massproduktion	Utvecklingsstadie
PÅ elementets motstånd	Lite högre	Low	Low	Very low
Low-frequency loss performance index(Relative value of BFOM)	1	500	900	3,000(Very high)
Breakdown field strength (MV/cm)	0.3	2.8	3.5	8(Estimated value)
Thermal conductivity (W/(cm*K))	1.5	4.9	2	0.1-0.3(low)
Substrate (wafer) cost	Extremely low	High	Very high (GaN substrate)	Low(Research stage)
Band Cap（Ev）	1.1	3.3	3.4	4.8-4.9
Vertical element	Massproduktion	Massproduktion	Under development(Slightly difficult)	Development phase(very likely)

• β-Ga2O3 _{material is from Xiamen Powerway Advanced Material Co., Ltd.(PAM-XIAMEN)}

Due to the high Balijia figure of merit of β-phase, when manufacturing unipolar power devices with the same withstand voltage, the on-resistance of the component is much lower than that of SiC or GaN. Experimental data shows that reducing the on-resistance is beneficial to reducing the power loss of the power circuit when it is turned on. Using β-phase power Ga2O3 devices can not only reduce the power loss during turn-on, but also reduce the loss during switching, because unipolar components can be used in high withstand voltage applications above 1kV. β-Ga2O3 is suitable for wide-bandgap electronics and optoelectronics.

Det finns till exempel en unipolär transistor (MOSFET) som använder en skyddsfilm för att minska koncentrationen av det elektriska fältet till grinden, och dess motståndsspänning kan nå 3k till 4kV. Om kisel används måste ett bipolärt element användas när motståndsspänningen är 1 kV. Även om SiC med högre motståndsspänning används måste ett bipolärt element användas när motståndsspänningen är 4 kV. Bipolära enheter använder elektroner och hål som bärare. Jämfört med unipolära enheter som endast använder elektroner som bärare, kommer generering och försvinnande av bärare i kanalen att bli kostsam tid under på- och avkoppling. Förlusten tenderar att vara stor.

När det gäller galliumoxid värmeledningsförmåga är det svårt för kraftenheter att arbeta vid höga temperaturer om denna parameter är låg. Drifttemperaturen i praktiken överstiger emellertid i allmänhet inte 250 ° C, så det kommer ingen effekt på driften vid tillämpning. Eftersom den värmebeständiga temperaturen på förpackningsmaterial, ledningar, löd och tätningsharts som används i moduler och strömkretsar inkapslade med kraftenheter inte är mer än 250 ° C, bör driftstemperaturen för kraftenheter också kontrolleras under denna nivå.

Ur ett annat perspektiv har det lätt att tillverka naturliga substratet, kontrollen av bärarkoncentration och den inneboende termiska stabiliteten också gynnat utvecklingen av galliumoxidanordningar. Relaterade papper uttryckta, när Ga2O3-substratär dopad N-typ med Si eller Sn, kan god kontrollerbarhet uppnås.

Även om vissa UWBG-halvledare (såsom aluminiumnitrid AlN, kubisk bornitrid c-BN och diamant) har fler fördelar än galliumoxidhalvledare i BFOM-diagrammet är deras materialberedning och bearbetning av enheter strikt begränsade. Med andra ord saknar fortfarande AlN, c-BN och diamant teknikackumulering för storskalig industrialisering.

Relevant statistik visar att förlusten av galliumoxidhalvledare teoretiskt är 1/3 000 kisel, 1/6 av kiselkarbid och 1/3 galliumnitrid. För att minska förlusten med 86%. Människor i branschen har höga förväntningar på sin framtid. Och kostnad är en annan viktig faktor för att locka branschens uppmärksamhet

PVT-metoden används ofta vid tillverkning av SiC-göt. Den fasta SiC upphettas till 2500 ° C för sublimering och omkristalliseras sedan på en SiC-frökristall av hög kvalitet med en något lägre temperatur. Kärnproblemen är:

1) Uppvärmningstemperaturen är så hög som 2500 ℃, och SiC-tillväxthastigheten är mycket långsam (<1 mm / h);

2) Storleken på det odlade kristallgötet är mycket kortare än Si;

3) Kraven på frökristallen är mycket höga och den måste ha egenskaperna av hög kvalitet och överensstämmer med den erforderliga kristalldiametern;

4) Hårdheten hos SiC-göt är relativt hög och det är svårt att bearbeta och polera;

Baserat på SiC-substrat används ofta kemisk ångavsättning (CVD) för att erhålla högkvalitativa epitaxialskikt och sedan tillverkas kraftenheter på epitaxialskikten. SiC-substratskivan har en högre defekttäthet än Si, vilket ytterligare kommer att störa tillväxten av det epitaxiella skiktet. Själva det epitaxiella skiktet kommer också att ge kristallina defekter, vilket kommer att påverka prestandan hos efterföljande enheter.

Ga2O3, som safir, kan omvandlas från ett lösningstillstånd till ett bulk (Bulk) -kristalltillstånd. Genom att använda samma styrda formmetod EFG (kantdefinierad filmmatad tillväxt) som produktion av safirplattor har Japan NCT försökt producera galliumoxidplatta med en maximal diameter på 6 tum (150 mm) och en en diameter på 2 tum (50 mm) skivor har sålts för forsknings- och utvecklingsändamål. Denna process kännetecknas av högt utbyte, låg kostnad, snabb tillväxthastighet och stor tillväxtkristallstorlek.

Den "finfördelningsmetod" som används av Flosfia har producerat 4-tums (100 mm) α-fas Ga2O3-skiva, och kostnaden är nära den för kisel. Men kiselkarbid (SiC) och galliumnitrid (GaN) material kan endast framställas med "gasfasmetoden" idag, och framtida kostnader kommer att hålla sig höga på grund av de höga kostnaderna för substratet. För galliumoxidhalvledare, jämfört med den nuvarande SiC- och GaN-tekniken med bredbandsklyfta, kommer högkvalitativ och stor naturlig tunn galliumoxidfilm att ha unika och betydande kostnadsfördelar.

3. Aktuell Status av Rsökning och Dkuvert och Industrialisering av Gallium Oxide

Eftersom det har så många fördelar betraktas galliumoxid som en teknik med bredare möjligheter än galliumnitrid.

SiC eller GaN. Ur perspektivet på arbetsfördelningen i industrikedjan har Cree, Rohm och ST redan bildat ett vertikalt försörjningssystem av SiC-substrat → epitaxi → enhet → modul. Tillverkare, såsom Infineon, Bosch, OnSemi, etc., köper substrat och genomför sedan Ga2O3 epitaxial tillväxt av sig själva och tillverkar enheter och moduler.

När det gäller digitala maskiner som elbilar och "billiga" hushållsapparater som har strikta kostnadskrav, även om kiselkarbid och galliumnitrid har utmärkta prestanda, kan tillverkare knappast acceptera sina priser. Kostnadsfrågor hindrar branschen från att anta nya halvledarmaterial. FLOSFIA: s "Spray Drying Method" (MistDry) löser först galliumoxid i en lösning blandad med dussintals formler och sprayar sedan lösningen på safirsubstratet i dimma. Galliumoxidkristaller bildades innan lösningen på safirsubstratet torkade. På detta sätt erhålls den tunna Ga2O3-filmen direkt från flytande tillstånd, utan en extremt ren miljö med hög temperatur, tillverkning av Ga2O3-skivor till en extremt låg kostnad.

Denna typ av lösning är flytande vid rumstemperatur och avdunstningstemperaturen behöver inte nå 1500 grader, några hundra grader räcker; och miljön för att tillverka kristaller är i rumstemperaturluft utan några höga förfaranden. Om man överväger liten storlek är det möjligt att en halvledare med samma pris och bättre prestanda än kisel kan tillverkas.

På grund av materialegenskaper tror vissa experter att galliumoxid halvledare inte kan användas för att tillverka halvledare av P-typ. Shizuo Fujita från Kyoto University och Flosfia utvecklade dock framgångsrikt en G2aO3-enheter som normalt är avstängd transistor (MOSFET) med safirstruktur 2016. När galliumoxidmaterial ersätter det för närvarande använda kiselmaterialet kommer det att minska 14,4 miljoner ton koldioxidutsläpp. varje år.

4. Industriegenskaperna hos kraftiga halvledare är lämpliga för explosiv tillväxt av galliumoxidenheter

Kraft halvledare används inom alla kraftelektronikfält, och marknaden är mogen och stabil med långsam tillväxt. Men branschen strävar alltid efter högre effekt (snabbare laddning och urladdning), effektivare energibesparing (minskad värme, säkrare och miljövänligare), mindre storlek och vikt (mer bärbar och lättare att installera och underhålla) och lägre kostnad (bredare Ga2O3 applikationer och marknader). Under de senaste åren har nya applikationsområden, såsom nya energibilar, förnybar energiproduktion, frekvensomvandlingshushållsapparater och snabb laddning, inlett en ny enorm tillväxt.

Industrifunktion 1: Det finns ingen anledning att komma ikapp med Moores lag. Generellt kan tillverkningsprocessen 0,18 ~ 0,5 tum användas. Det är beroende av materialkvaliteten och har höga krav på produktionsprocessen för material och enheter. På grund av den övergripande trenden mot integration och modularisering måste nya förpackningsdesigner utvecklas.

Konstruktionsförfarande: Kraft halvledarkretsen har en enkel struktur och behöver inte investera mycket kapital i arkitektur, IP, instruktionsuppsättning, designprocess, programverktyg etc.

Tillverkning: Eftersom det inte finns något behov av att komma ikapp med Moores lag är produktionslinjen inte mycket beroende av avancerad utrustning och de totala investeringarna är små.

Förpackning: Den kan delas in i diskret enhetsförpackning och modulförpackning. Eftersom kraftenheter har mycket höga tillförlitlighetskrav krävs speciella konstruktioner och material, och värdet av efterföljande bearbetning står för mer än 35%, vilket är mycket högre än 10% av vanliga digitala logikchips. För närvarande, enligt forskningsprojekt och produktlayout, börjar många företag att omvandlas till medel-till-avancerade produkter med högre värde.

Industrifunktion 1: Kraft halvledarindustrin antar vanligtvis IDM-läge, vilket är mer lämpligt för företag att bli större och starkare. Även om substrat- och epitaxiföretagen kan bli separata delar, och chipdesign och tillverkningsprocedurer måste integreras, annars kommer förmågan att göra tekniska framsteg att gå förlorad och produktionskapaciteten kommer att vara begränsad. Därför kan outsourcing endast användas som ett komplement till produktionskapaciteten för lågprodukter.

Industrifunktion 2: Nya energibilar och andra nya applikationer fortsätter att främja uppkomsten av nya halvledarmaterial.

Fjärde generationens material har potential att samarbeta med tredje generationens halvledare för att ersätta kiselmaterial i högeffektiva och högfrekventa applikationsscenarier. Hela industrin befinner sig i den inledande fasen av industrialiseringen.

Drivs av nya marknadskrav, som nya energibilar, 5G, snabbladdning och potentiella kiselbytemarknader, är den nuvarande djupgående forskningen och industrialiseringen huvudsakligen baserad på SiC och GaN. Den tekniska reserven för Ga2O3 är svag, så företag med en sådan teknik utsätts för mindre konkurrenspress.

Kärnproblemet med fjärde generationens halvledare - galliumoxid halvledare ligger i framställning av material. Genombrott på den materiella sidan kommer att få stort marknadsvärde.

För mer information, kontakta oss via e-post på victorchan@powerwaywafer.com och powerwaymaterial@gmail.com.