氧化鎵襯底材料 ——一顆冉冉升起的新星

氧化鎵襯底材料 ——一顆冉冉升起的新星

2021-07-05 11:24:19 5

氧化鎵技術之出現

半導體世界可能會有一個新的參與者,它以氧化鎵技術的形式出現。這種材料可以在改善電動汽車、太陽能和其他形式的可再生能源方面發揮關鍵作用,我們需要具有更強大和更高效的功率處理能力的電子元件。氧化鎵開辟了我們用現有半導體無法實現的新可能性。


電子工業正在盡可能地將硅最大化應用,但其畢竟還是有局限的,這就是為什么研究人員正在探索其它材料,如碳化硅,氮化鎵和氧化鎵。雖然氧化鎵的導熱性能較差,但其帶隙(約4.8電子伏特或eV)超過碳化硅(約3.4eV),氮化鎵(約3.3eV)和硅(1.1eV)的帶隙。這種新型半導體4.8eV帶隙相對較大,這意味著在電力電子領域,特別是在高電壓被轉換成低電壓的情況下,氧化鎵至少部分地可以超過當前硅(Si)、碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)材料。



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Si,SiC,GaN和Ga 2 O 3 對比

(圖片來源:半導體行業觀察)


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半導體材料特性(郝躍院士)


氧化鎵襯底之現狀

在國際上,特別是在日本和美國,對Ga2O3這種材料及其潛在應用的興趣在過去三年中增長非???。近年來氧化鎵晶體生長技術的突破性進展,也極大地推動了相關的薄膜外延、日盲探測器、功率器件、高亮度紫外LED等器件的研究,是國際上超寬禁帶半導體領域的研究熱點。國家重點研發計劃“戰略性先進電子材料”重點專項也發布了相關的研究指南“超寬禁帶半導體材料與器件研究(基礎研究類)”,也極大帶動了國內相關科研機構的研究興趣,近年來,我國科學工作者在氧化鎵材料和器件研究方面取得了重要的進展。


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AFRL(美國空軍研究室)制作的2英寸帶有GaN外延層的Synoptics 氧化鎵晶體管(Compound Semiconductor)


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直徑為4英寸的藍寶石襯底上形成的

Ga 2 O 3薄膜(FLosfia官網)


氧化鎵材料之潛力

氧化鎵作為繼GaN和SiC之后的下一代超寬禁帶(UWBG)半導體材料,同時通過熔體法(生長藍寶石襯底的方法)可以獲得低缺陷密度的大尺寸Ga2O3襯底,使得Ga2O3器件的成本相比于GaN以及SiC器件更低。隨著高鐵、電動汽車以及高壓電網輸電系統的快速發展,全世界急切的需要具有更高轉換效率的高壓大功率電子電力器件。Ga2O3功率器件在與GaN和SiC相同的耐壓情況下,導通電阻更低、功耗更小、更耐高溫、能夠極大地節約上述高壓器件工作時的電能損失,因此Ga2O3提供了一種更高效更節能的選擇。


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Si,SiC,GaN和Ga 2 O 3 對比

(圖片來源:半導體行業觀察)


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功率半導體材料對比

(半導體行業觀察譯自PC.watch)


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關鍵材料(Si,SiC,GaN,GaO)特性對比(IEEE)



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β相氧化鎵晶體結構(網絡)


氧化鎵器件之進展


目前氧化鎵低缺陷密度襯底已經可以達到4英寸,而在氧化鎵襯底上通過MOVPE、MBE及HVPE等原位同質外延獲得的外延層具有0.5 nm左右的RMS平整度。氧化鎵材料的平均擊穿電場已經達到5 MV/cm,水平及縱向垂直氧化鎵肖特基二極管分別已經取得了超過3 kV以及2.2 kV的擊穿電壓。同時,耗盡/增強型背柵MOSFET也取得了超過1.5/1 A/mm的輸出電流密度、水平及縱向MOSFET在截止狀態下也分別取得了1.8/1 kV的擊穿電壓以及氧化鎵高頻器件取得了ft/fmax = 5.1/17.1 GHz。


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按步驟劃分的Ga 2 O 3 襯底制造成本

(圖片來源:半導體行業觀察)

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在電流和電壓需求方面Si,SiC,GaN和GaO功率電子器件的應用

(Flosfia介紹)


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GaO與SiC成本對比(EE POWER)

綜上,氧化鎵是一種新興的功率半導體材料,其帶隙大于硅,氮化鎵和碳化硅,但在成為電力電子產品的主要參與者之前,仍需要開展更多的研發和推進工作。



氧化鎵襯底之

國瑞升GRISH?拋光方案


北京國瑞升可以提供氧化鎵研磨拋的各道加工工藝及耗材,并且根據客戶的設備及工藝制定個性化相應的解決方案。針對氧化鎵襯底片國瑞升開發了一整套的研磨拋光工藝和拋光耗材,主要涉及單晶/多晶金剛石研磨液、氧化鋁拋光液和CMP拋光液,以及聚氨酯研磨墊和阻尼布精拋墊等。

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單晶金剛石研磨液


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多晶金剛石研磨液


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氧化鋁研磨液


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CMP拋光液


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聚氨酯研磨墊



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