第四代半導體氧化鎵為何值得期待？有何優勢與前景？

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：