第四代半導體氧化鎵為何值得期待?有何優勢與前景?

作者 | 發布日期 2021 年 10 月 21 日 10:00 | 分類 晶圓 , 零組件 Telegram share ! follow us in feedly


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能隙氧化鎵(Ga2O3)和鑽石等新一代材料,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?(本文出自國立陽明交通大學電子研究所的洪瑞華特聘教授,於閎康科技「科技新航道 | 合作專欄」介紹「第四代半導體 Ga2O3 技術原理、優勢與產業前景」文稿,經科技新報修編。)

Ga2O3 技術原理與優勢

雖然以 Si 基板為主的元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。

儘管如此,被視為第四代之超寬能隙氧化鎵(Ga2O3)和鑽石等新一代材料,特別是 Ga2O3 因其基板製作相較於 SiC 與 GaN 更容易,又因為其超寬能隙的特性,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範圍,(b)為現今常用之半導體材料其對應之能隙與崩潰電場。可發現 Ga2O3 應用之功率範圍高達 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 的超寬能隙與臨界電場(Ebr)高達 8 MV/cm,相較於 GaN 的能隙 3.4eV,SiC 的能隙 3.3eV 都高出許多,在 Barliga 評價(BFOM)寬能隙半導體的係數中 Ga2O3 高達 3444,是 SiC 的十倍、GaN 的四倍,此一係數關係著元件所能承受之最高電壓,由此 BFOM 係數也可以看到 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)寬能隙材料其崩潰電場與導通電阻之關係圖。

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,特別是其寬能隙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範圍。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元件,光感與氣體感測器領域也都可以是其應用範圍。

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

▲ Ga2O3 感測器應用現況與未來。

▲ 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)相較於其他高功率材料差;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元件操作方面介面的熱崩潰,目前主要透過結構設計解決此問題,例如使用高導熱係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)邊緣傾向於氧。最後,因為自由電洞的容易被自我捕捉(self-trapped)於晶格扭曲(lattice distortion)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)、edge defined film(EFG)、與 Czochralski methods(CZ),這些方法在製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,並以每小時 15 mm 的速率從晶種中拉出晶棒,最後再去清洗切割,若要 n-type 摻雜後續再摻 Sn 或 Si 等元素。

▲ EFG 長晶法成長 Ga2O3 晶棒之示意圖。

綜觀上述,Ga2O3 屬於新開發之材料,潛力極佳與產業應用前景可期。而現階段仍須克服的問題,無論是在同質磊晶成長(homojunction epitaxy)或異質磊晶成長(heterojunction epitaxy),此類材料在晶相鑑定、表面形貌或平整度,甚至成份鑑定,摻雜濃度之量測,閎康科技皆可提供相關之檢測服務,分析技術介紹可參考:

參考資料:

1. M. Higashiwaki, K. Sasaki, A. Kuramata, T. Masui, and S. Yamakoshi, “Development of gallium oxide power devices,” Phys. Status Solidi A 211, 21–26 (2014).
2. M. Higashiwaki, K. Sasaki, A. Kuramata, T. Masui, and S. Yamakosh. “Gallium oxide (Ga2O3) metal-semiconductor field-effect transistors on single-crystal b-Ga2O3 (010) substrates”, Appl. Phys. Lett, 100, 013504 (2012)
3. A. Kuramata, K. Koshia, S. Watanabe, Y. Yamaoka, T. Masui, and S. Yamakoshia, “Bulk Crystal Growth of Ga2O3”, Proc. SPIE 10533, Oxide-based Materials and Devices IX, 105330E (2018).
4. S. J. Pearton, F. Ren, M. Tadjer, and J. Kim. “Perspective: Ga2O3 for ultra-high power rectifiers and MOSFETS”, J. Appl. Phys. 124, 220901 (2018).
5. A. Afzal, “-Ga2O3 nanowires and thin films for metal oxide semiconductor gas sensors: Sensing mechanisms and performance enhancement strategies”, J. Materiomics, 5, 542 (2019).

(首圖來源:Shutterstock)