第三代寬能隙半導體到底在紅什麼?

作者 | 發布日期 2021 年 05 月 11 日 12:00 | 分類 晶片 Telegram share ! follow us in feedly


2021 年嶄露頭角的第三代寬能隙半導體,連晶圓代工大廠都搶先布局,這到底是什麼技術?5G 及電動車蓬勃發展後,為何第三代寬能隙半導體市場成了兵家必爭之地?

在半導體材料領域中,第一代半導體是矽(Si),第二代是砷化鎵(GaAs),而目前市場所談的第三代寬能隙半導體就是指碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)。

2021 年,可以說是第三代寬能隙半導體嶄露頭角的一年,已成為半導體先進材料的代表。到底什麼是「寬能隙」(Wide Band Gap,WBG)?它又具有什麼特點?為何 5G、電動車、再生能源、工業 4.0 的產業趨勢來臨時會這麼需要它?

本期宜特小學堂,就讓我們帶您深入簡出了解第三代寬能隙半導體。

一、為什麼需要用到第三代寬能隙半導體(Wide Band Gap,WBG)?

由於近年地球暖化與碳排放衍生的環保問題日益嚴重,人類以節能、減碳、愛護地球為共同的首要發展方向,石化能源必須逐步減少並快速導入綠能節電的應用,因此在日常生活用品中也逐步以高能效、低能耗為目標。

舉例而言,聯合國在氣候變化大會巴黎協議中的目標──全球暖化幅度需保持在 2℃ 以內。以目前的經濟發展趨勢預估,即便 2050 年的升溫保持在 2℃ 內,CO排放量仍將提高 21%,且必須另外取得高達 50% 的電力因應各種人類活動。因此,大幅提升與改善現有的能源,已是大勢所趨。

半導體原料最大宗,主要以第一代的「矽(Si)」晶圓的生產製造為主。然而在現有以「矽(Si)」基礎的產品,因材料的物理特性已達極限,無法再提升電量、降低熱損、提升速度,因此需朝向其他更能發揮電子傳輸效率與低能耗的材料演進,而具備高能效、低能耗的第三代寬能隙(Wide Band Gap,WBG)半導體就在此背景之下因應而生。

二、什麼是能隙(Band Gap)?

我們先來了解一下何謂「能隙 (Band Gap)」?

基本上要用量子物理的理論來簡單說明,在「能帶(Band)」的劃分主要為低能帶區的「價電能帶」 (Valence Band,VB),與高能帶區的「導電能帶 (Conduction Band,CB) 」兩種,在 VB 與 CB 之間即是一個所謂的能帶間隙(Band Gap,BG),簡稱「能隙」(圖一)。

▲ 圖一、半導體能帶與能隙示意圖。(Source:宜特科技繪製)

金屬材料能夠導電,主要是因為電子都位於高能的 CB 區域內,電子可自由流動;而半導體材料在常溫下主要電子是位於低能的 VB 區域內無法流動,當受熱或是獲得足夠大於「能隙(BG)」的能量時,其 VB 內電子即可克服此能障,躍遷至 CB 而形成了導電特性。

因此在積體電路中的電晶體(Transistor)元件,當施加一個小電壓即能快速啟閉電源,長久以來,這個能隙(BG)較小的「矽(Si)」材料才會被大量地採用至今。

然而,當操作的溫度高於 100℃ 之後,產品就容易開始產生退化甚至故障,無法應用在更嚴苛的環境,如交通、軍事或是太空等工具的使用,尋求可耐高壓高溫的第三代寬能隙半導體(Wide Band Gap,WBG)材料才會如此必要。

我們都知道,功率(Power)是電流(Current)與電壓(Voltage)加乘的正比關係;在高功率元件(Power device)的使用上,我們所熟知的第一代半導體材料矽(Si)能隙為 1.12eV,第二代半導體通訊用的材料砷化鎵(GaAs)為 1.43eV,都已在我們的生活中廣泛使用長達二、三十年之久,但這類低能隙材料使用的溫度、頻率、以及功率都已無法突破,必須找尋更合適的材料來替換。

而第三代寬能隙半導體(Wide Band Gap,WBG)材料可以提升更高的操作電壓,產生更大的功率,並且將能損降低,另外相較矽元件的體積又可大幅縮小。

三、有哪些更佳的寬能隙材料?

那麼有哪些更佳的寬能隙材料呢?如 Si 與 C 的化合物碳化矽(SiC),相關的材料能隙均可大於 3.0eV;另外,Ga 與 N 或 O 的化合物氮化鎵(GaN)或氧化鎵(Ga2O3)也分別高達 3.4eV 與 4.9eV,而鑽石(Diamond)更高達 5.4eV(表一)。

特性 Si SiC(4H) GaN Ga2O3(β) Diamond
能隙(eV) 1.1 3.3 3.4 4.9 5.4
遷移率(cm2/Vs) 1400 1000 1200 300 2000
擊穿電場強度(MV/cm) 0.3 2.5 3.3 8 10
導熱率(W/cmK) 1.5 4.9 1.3 0.14 20

▲ 表一、半導體材料的物性比較。(Source:宜特科技)

其中氮化鎵(GaN)或氧化鎵(Ga2O3),雖然分別在 LED 照明或是紫外光的濾光光源應用已經一段時間,但受限於這類半導體材料的特性在生產製作上挑戰性仍然是高的。

例如,要製作 SiC 的單晶晶棒,相較 Si 晶棒的生產困難且時間緩慢很多,以及 GaN 與 Si 晶圓的晶格不匹配易生成差排缺陷(dislocation defect)等問題必須克服,導致長久以來相關的製程開發困難且花費高昂。

四、寬能隙材料運用在那些產品上?

不過,近年來的國際知名大廠意法半導體(ST Microelectronics)、英飛凌(Infineon)、羅姆(Rohm)等均有相當大的突破。如 GaN 在以 Si 或 SiC 為基板的產品已陸續發表,目前市售的快速充電器採用的即是 GaN on Si 材料製作的高功率(如 60 瓦以上)產品,其除了功率提升外,也因為溫度與熱效應可大幅降低,使得元件可大幅縮小,充電器體積也更加玲瓏小巧,未來這在行動裝置、筆電等快充電源的應用更是潛力無窮。

現行以矽基材料為主的高功率產品多以絕緣閘雙極電晶體(IGBT)或金氧半場效電晶體(MOSFET)為主,如圖二,可以看到各種功率元件和模組與相關材料應用的範圍,雖然在傳統 IGBT 高功率模組大約能應用至一百千瓦(100kW)以上,但速度卻無法提升至一百萬赫茲(1MHz)。

而 GaN 材料雖然速度跟得上,但功率卻無法達到更高的一千瓦(1kW)以上,必須改用 SiC 的材料。

▲ 圖二、功率元件與相關材料的應用範圍。(Source:英飛凌)

SiC 因具有比 Si 更好的三倍導熱率,使得元件體積又可以更小,這些特性使得它更能適合應用在電動車內。在特斯拉的 model3 也從原先的 IGBT 改成使用意法半導體(ST Microelectronics)生產的 SiC 功率元件,作為其牽引逆變器(Traction inverter)、直流電交互轉換器與充電器 (DC-to-DC converter & on-board charger)等的應用,提高電能的使用效率與能損的降低。

在未來更高的電力能源需求下,車載裝置除了須具備基本的高功率外,還需要極高速的充電能力以因應電力的補充,車用充電樁、5G 通訊基地台、交通運輸工具、甚至衛星太空站等更大的電力能源需求,相關的電流傳輸轉換,電傳速度的要求以及能損的降低,不得不邁向更有效率的 WBG 材料進行大規模的開發,超高功率的 SiC 元件模組需求亦會大量地被採用。

五、寬能隙材料開發生產階段,需進行那些驗證分析?

宜特觀察,晶圓代工廠與功率 IDM 廠商也都持續不斷地努力研究與開發。不過,新半導體材料,在初期開發中,總是會有許多需進行研發驗證的狀況,近年,宜特就協助多家 WBG 產業的開發與生產驗證。

比如磊晶製程相關的結構或缺陷分析,就可以藉由宜特科技的雙束聚焦離子束(Dual beam FIB)製備剖面樣品並進行尺寸量測或成分分析(EDS),亦可搭配穿透式電子顯微鏡(TEM)進行奈米級的缺陷觀察。

而相關擴散區域的分析可經由樣品研磨製備剖面後,進行掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察以及掛載在原子力顯微鏡 (AFM)上的偵測模組-掃描式電容顯微鏡(SCM)判別摻雜區域的型態與尺寸量測,如圖三為 SiC 的元件分析擴散區摻雜的型態,先用 SEM 觀察井區(Well)的分布位置,再經由 SCM 判斷上層分別有 N 與 P 型 Well 以及磊晶層(EPI)為 N 型。

另外在摻雜元素及濃度的分析,則可透過宜特科技的二次離子質譜分析儀 (SIMS)的技術,圖四為 GaN on Si 的元件,先用雙束聚焦離子束(Dual beam FIB)進行剖面成份分析(EDS)判斷磊晶區域的主要成份之後,提供 SIMS 參考再進行摻雜元素 Mg 定量分析濃度的結果,作為電性調整的依據。

▲ 圖三、使用 SEM 剖面觀察 SiC 元件的結構,搭配 SCM 分析 N/P 型與擴散區的量測。(Souece:宜特科技)

▲ 圖四、使用 DB-FIB 觀察 GaN 元件的剖面結構與 EDS 成份分析,搭配 SIMS 分析摻雜濃度。(Source:宜特科技)

諸如上述介紹 WBG 元件結構的解析之外,其它任何產品都可透過宜特實驗室的材料分析及電性、物性故障分析來尋求解答。當然,包括因應安全要求更高的產品可靠度測試與評估,均可藉由宜特提供更完整全方位的驗證與服務。

本文與各位長久以來支持宜特的您分享,若您有相關需求,或是對相關知識想要更進一步了解細節,歡迎洽詢 +886-3-579-9909 分機 1068 邱小姐 │ Email: marketing_tw@istgroup.com

(首圖來源:宜特科技)