氧化镓衬底材料 ——一颗冉冉升起的新星

氧化镓衬底材料 ——一颗冉冉升起的新星

2021-07-05 11:24:19 5

氧化镓技术之出现

半导体世界可能会有一个新的参与者,它以氧化镓技术的形式出现。这种材料可以在改善电动汽车、太阳能和其他形式的可再生能源方面发挥关键作用,我们需要具有更强大和更高效的功率处理能力的电子元件。氧化镓开辟了我们用现有半导体无法实现的新可能性。


电子工业正在尽可能地将硅最大化应用,但其毕竟还是有局限的,这就是为什么研究人员正在探索其它材料,如碳化硅,氮化镓和氧化镓。虽然氧化镓的导热性能较差,但其带隙(约4.8电子伏特或eV)超过碳化硅(约3.4eV),氮化镓(约3.3eV)和硅(1.1eV)的带隙。这种新型半导体4.8eV带隙相对较大,这意味着在电力电子领域,特别是在高电压被转换成低电压的情况下,氧化镓至少部分地可以超过当前硅(Si)、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)材料



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Si,SiC,GaN和Ga 2 O 3 对比

(图片来源:半导体行业观察)


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半导体材料特性(郝跃院士)


氧化镓衬底之现状

在国际上,特别是在日本和美国,对Ga2O3这种材料及其潜在应用的兴趣在过去三年中增长非常快。近年来氧化镓晶体生长技术的突破性进展,也极大地推动了相关的薄膜外延、日盲探测器、功率器件、高亮度紫外LED等器件的研究,是国际上超宽禁带半导体领域的研究热点。国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项也发布了相关的研究指南“超宽禁带半导体材料与器件研究(基础研究类)”,也极大带动了国内相关科研机构的研究兴趣,近年来,我国科学工作者在氧化镓材料和器件研究方面取得了重要的进展。


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AFRL(美国空军研究室)制作的2英寸带有GaN外延层的Synoptics 氧化镓晶体管(Compound Semiconductor)


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直径为4英寸的蓝宝石衬底上形成的

Ga 2 O 3薄膜(FLosfia官网)


氧化镓材料之潜力

氧化镓作为继GaN和SiC之后的下一代超宽禁带(UWBG)半导体材料,同时通过熔体法(生长蓝宝石衬底的方法)可以获得低缺陷密度的大尺寸Ga2O3衬底,使得Ga2O3器件的成本相比于GaN以及SiC器件更低。随着高铁、电动汽车以及高压电网输电系统的快速发展,全世界急切的需要具有更高转换效率的高压大功率电子电力器件。Ga2O3功率器件在与GaN和SiC相同的耐压情况下,导通电阻更低、功耗更小、更耐高温、能够极大地节约上述高压器件工作时的电能损失,因此Ga2O3提供了一种更高效更节能的选择。


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Si,SiC,GaN和Ga 2 O 3 对比

(图片来源:半导体行业观察)


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功率半导体材料对比

(半导体行业观察译自PC.watch)


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关键材料(Si,SiC,GaN,GaO)特性对比(IEEE)



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β相氧化镓晶体结构(网络)


氧化镓器件之进展


目前氧化镓低缺陷密度衬底已经可以达到4英寸,而在氧化镓衬底上通过MOVPE、MBE及HVPE等原位同质外延获得的外延层具有0.5 nm左右的RMS平整度。氧化镓材料的平均击穿电场已经达到5 MV/cm,水平及纵向垂直氧化镓肖特基二极管分别已经取得了超过3 kV以及2.2 kV的击穿电压。同时,耗尽/增强型背栅MOSFET也取得了超过1.5/1 A/mm的输出电流密度、水平及纵向MOSFET在截止状态下也分别取得了1.8/1 kV的击穿电压以及氧化镓高频器件取得了ft/fmax = 5.1/17.1 GHz。


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按步骤划分的Ga 2 O 3 衬底制造成本

(图片来源:半导体行业观察)

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在电流和电压需求方面Si,SiC,GaN和GaO功率电子器件的应用

(Flosfia介绍)


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GaO与SiC成本对比(EE POWER)

综上,氧化镓是一种新兴的功率半导体材料,其带隙大于硅,氮化镓和碳化硅,但在成为电力电子产品的主要参与者之前,仍需要开展更多的研发和推进工作。



氧化镓衬底之

国瑞升GRISH®抛光方案


北京国瑞升可以提供氧化镓研磨抛的各道加工工艺及耗材,并且根据客户的设备及工艺制定个性化相应的解决方案。针对氧化镓衬底片国瑞升开发了一整套的研磨抛光工艺和抛光耗材,主要涉及单晶/多晶金刚石研磨液、氧化铝抛光液和CMP抛光液,以及聚氨酯研磨垫和阻尼布精抛垫等。

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单晶金刚石研磨液


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多晶金刚石研磨液


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氧化铝研磨液


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CMP抛光液


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聚氨酯研磨垫



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阻尼布精抛垫


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关于国瑞升GRISH®

北京国瑞升科技股份有限公司成立于2001年,是国内专业从事研发、生产、经营超精密抛光材料的国家级高新技术企业,是具有多项自主知识产权、多年产品技术研发经验和众多客户应用实践沉淀的业界先驱。


国瑞升GRISH®以精准服务为客户提供整套研磨抛光解决方案,以及多种精密研磨抛光材料、工艺和设备,解决客户研磨抛光问题,助力客户成功!


其中国瑞升GRISH®研发生产的超精密抛光膜、静电植砂研磨带、金刚石微粉及研磨液、抛光绒布等多种超精密抛光耗材,广泛应用于光通信、汽车、半导体、LED、蓝宝石、LCD、电子等多个行业。


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