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第四代半导体的风口:氧化镓!

2023-04-27 09:23:04 超级管理员 浏览次数 542
宽禁带半导体是指禁带宽度大于或等于2.3eV的半导体材料。其中,以碳化硅、氮化镓器件为代表的技术和应用比较成熟,在功率和射频器件应用领域逐步完成了对硅基芯片的逐步替代。近年来,宽禁带半导体领域黑马氧化镓(Ga2O3)逐渐登上舞台,成为半导体材料领域新的发展方向之一。
  从硅、锗时代到砷化镓,锑化铟,再从氮化镓、碳化硅到今天的氧化镓,我们一直再不断地学习,探索。据报道,近日,日本东北大学吉川彰联合初创企业C&A共同开发了全新的氧化镓制备技术,成本直接降至传统方案的百分之一。成本的降低也意味着,氧化镓半导体器件的产业化将进一步加速。
 
  对于氧化镓器件的研究可以追溯到12年,日本国家信息与通信技术研究所(NICT)发表了首个单晶β-氧化镓晶体管,击穿电压大于250V。也是在这一年,日本NCT公司突破了2英寸氧化镓晶体与外延技术,随后于2014年该公司又实现了氧化镓材料的量产,直到2021年成功完成了4英寸氧化镓晶圆量产。 日本另外一家企业FLOSFIA也在氧化镓材料方面取得不少进展。2017年该公司实现了低成本α-氧化镓材料的突破,2018年实现了α-氧化镓外延材料的量产。日本公司田村于2019 年实现4英吋氧化镓的批量产业化,同年该公司还突破了6英寸氧化镓材料技术。 在国内市场,镓族科技、富加镓业、铭镓半导体、进化半导体、中电46所等企业也纷纷涌入氧化镓基础材料领域。此外,数十家高校院所积极展开氧化镓项目的研发工作,积累了丰富的技术成果。随着市场需求持续旺盛,这些科研成果有望逐步落地。
  如上所述,半导体市场早已发掘到氧化镓材料广阔的前景,纷纷涌入氧化镓材料领域。在材料特性方面,氧化镓禁带宽度可高达4.9eV,远远高于碳化硅(3.26eV)和氮化镓(3.4eV)等半导体材料。与硅(1.1eV)相比,氧化镓的禁带宽度是前者的4.5倍。 从功率半导体特性来看,与前代半导体材料相比,氧化镓材料具备更高的击穿电场强度与更低的导通电阻,从而能量损耗更低,而功率转换效率更高。此外,氧化镓材料还拥有更高的热稳定性与深紫外光电特性。
  在氧化镓材料的制备中,可以通过掺杂载流子来提高氧化镓材料的导电性。在掺杂过程中,还可以在晶体中加入定量的杂质,以控制半导体载流子的浓度。具体来说,可以通过离子注入、退火等工艺在晶体中添加或去除自由电子,使电荷自由移动。另一方面,在离子注入和外延生长期间,氧化镓材料可以更精确地限定晶体管尺寸并产生各种器件拓扑。 传统上,氧化镓的制备需要贵金属铱容器来加热和熔化原料,从而产生氧化镓晶体。抛开晶体质量不稳定等问题,仅容器一项,生产直径15厘米的氧化镓晶体成本就高达153万-256万元。最新研究表明,将贵金属铱容器替换为水冷铜容器,将电磁波频率提高100倍,熔化即可得到约5cm的氧化镓晶体,大大降低了制造成本,提高了成品率。   氧化镓具有明显的性能优势,但仍存在明显的缺点和应用瓶颈。其中热导率低和P型掺杂难的问题是氧化镓的两大软肋。氧化镓的热导率只有碳化硅的十分之一,硅的五分之一。这意味着基于氧化镓的半导体器件存在很大的散热问题,业界一直在寻找更好的方法来优化和改善这一问题。 根据IEEE发表的一篇文章,提高器件的热阻或者将热量分流到散热器,可以克服器件的散热问题。对于前者,日本国立信息通信技术研究所东京实验室已经取得了成果。通过在厚度约10微米的氧化镓晶片背面键合P型多晶碳化硅,可以提高器件的热阻。对于集中热量的设备,美国空军研究实验室的研究人员通过模拟接触电极和使用电介质填料将热量转移到散热器。从国内的技术来看,西安电子科技大学韩根全教授团队也发布了一种通过剥离技术剥离氧化镓,并将其键合到导热性能优异的材料上加工后端器件的散热方法。
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