第四代半導體技術原理與優勢,為何值得期待?

2021-10-21 12:56:15 來源:科技新報(臺) 作者:洪瑞華
隨著以SiC與GaN為主的第三代半導體應用逐漸落地,被視為第四代之超寬禁帶氧化鎵(Ga2O3)和鉆石等新一代材料,成為下一波矚目焦點,特別是Ga2O3 在超高功率元件應用有著不容小覷的潛力,而其優勢與產業前景又究竟為何?

Ga2O3 技術原理與優勢

雖然以Si基板為主的組件已主導現今科技產業之IC與相關之電子元件,然而此類產品仍面臨許多極限,無論在高功率或是高頻元件與系統,除不斷精進結構設計外,新興材料亦推陳出新。特別是第三代半導體以SiC與GaN為主之高功率元件與系統,在大電力與高頻元件上被賦予重任,更已陸續應用在相關之產業。

盡管如此,被視為第四代之超寬禁帶氧化鎵(Ga2O3)和鉆石等新一代材料,特別是Ga2O3 因其基板制作相較于SiC與GaN更容易,又因為其超寬禁帶的特性,使材料所能承受更高電壓的崩潰電壓和臨界電場,使其在超高功率元件之應用極具潛力。

 

 

▲ 上圖(a)為現今常用之半導體材料所適用之頻率與工作功率范圍,(b)為現今常用之半導體材料其對應之能隙與崩潰電場??砂l現 Ga2O3 應用之功率范圍高達 1 kW-10 kW。

Ga2O3 擁有五種晶相(polymorphs)(monoclinic(β-Ga2O3),rhombohedral(α),defective spinel(γ), cubic(δ), or orthorhombic(ε)),且擁有約 4.5-4.9eV 的超寬禁帶與臨界電場(Ebr)高達 8 MV/cm,相較于GaN 的能隙 3.4eV,SiC 的能隙 3.3eV 都高出許多,在 Barliga 評價(BFOM)寬禁帶半導體的系數中 Ga2O3 高達 3444,是 SiC 的十倍、GaN 的四倍,此一系數關系著元件所能承受之最高電壓,由此 BFOM 系數也可以看到 Ga2O3 在高功率元件之應用潛力。(相關之材料特性比較如表(一)所示。)

▲ 表(一)相關之材料特性比較。

在高功率元件之應用,除其崩潰電場需夠高外,在導通電阻方面也是重要參數之一。如圖(二)示,Ga2O3 之導通電阻也較GaN與SiC低,也因此Ga2O3 在工業或是軍事上作為整流器時將會是非常好的應用。

▲ 圖(二)寬禁帶材料其崩潰電場與導通電阻之關系圖。

車用、光電都看好,應用廣泛且前景可期

Ga2O3 具備許多優良的特性,使其可以應用在許多方面,特別是其寬禁帶特性能在功率元件上有顯著的應用,諸如電動車、電力系統、風力發電機的渦輪等都是其應用范圍。而Ga2O3 的薄膜透明,不僅在光電元件方面可作為透明面板上的組件,光感與氣體傳感器領域也都可以是其應用范圍。

也因此Ga2O3 產業前景方面應用廣泛,且潛力極大仍有許多組件等待被開發與商業化,可說是很具前瞻性的材料之一!

 

▲ Ga2O3 傳感器應用現況與未來。

 

▲ Ga2O3 應用現況與未來。

我們離Ga2O3 落地還有多遠?

Ga2O3 未來潛力值得期待,不過現階段仍有許多問題有待克服。

目前 Ga2O3 在材料本身主要之問題為散熱與P-type摻雜不易達成;散熱方面,可以發現熱導率(0.25 W/cm.K)相較于其他高功率材料差;SiC熱導率 4.9 W/cm.K,GaN 熱導率2.3 W/cm.K,散熱問題嚴重的話會造成在組件操作方面接口的熱崩潰,目前主要透過結構設計解決此問題,例如使用高導熱系數的基板幫助分流其操作的高溫。

而P-type摻雜則更為棘手,目前尚未有足夠的電洞遷移率文獻被發表提出,現有資料主要歸納出以下三個原因:首先因為Ga2O3 在氧的共價鍵方面為2p 軌域,擁有非常強的鍵結電子不容易被搶走,造成深受子態(deep acceptor state)。第二,Ga2O3 中的電洞有效質量(effective mass)太高,造成平坦價帶(flat valence band)邊緣傾向于氧。最后,因為自由電洞的容易被自我捕捉(self-trapped)于晶格扭曲(latticedistortion)中,使擴散與低電場的漂移都不太可能去實現。這是 Ga2O3 目前所面臨的一些問題,有待去改善以達到更多元的應用。

長晶部份,主要有 floating zone(FZ)、edgedefined film(EFG)、與 Czochralskimethods(CZ),這些方法在制作藍寶石基板已經使用多年,因此在生產淺潛力上相較其他化合物半導體 GaN 和 SiC,更能大量生產與降低成本。

在現今商業生產上主要應用EFG長晶法(如下圖所示),此方法能生產大量且高純度的Ga2O3 晶圓,在N2/O2下融化高純度(5N)的Ga2O3 Powder 在 Ir 的坩鍋中,并以每小時 15 mm 的速率從晶種中拉出晶棒,最后再去清洗切割,若要 n-type 摻雜后續再摻 Sn 或Si 等元素。

 

▲ EFG 長晶法成長 Ga2O3 晶棒之示意圖。

綜觀上述,Ga2O3 屬于新開發之材料,潛力極佳與產業應用前景可期。

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