比 GaN 與 SiC 更寬能隙的半導體材料即將出現如何選

當主流的半導體材料-矽（Si）無法滿足高速傳輸、大電壓的需求時，

找出最佳的寬能隙材料替代刻不容緩，但該如何量測能隙？選出寬能隙材料後，晶體堆疊的瑕疵又該如何觀察呢？

在現代人極度倚靠行動或穿戴裝置的生活中，隱於其中的半導體材料無所不在。從早上的鬧鐘，到盥洗電動牙刷、上網訂早餐、手機收看新聞，再到交通工具、工作用電腦、回家做飯的電鍋、微波爐等。近年來，隨著環保節能意識抬頭，為了實現淨零碳排放，必須將製造大量空污的油、氣發電，轉向更潔淨的綠電能源，未來的生活工具勢必共同邁向此目標。

因此，各種大電源及高速傳輸的供應需求，諸如太陽能、風電、電動交通工具，或家用、物聯網、資料中心等，在原本主流的半導體材料-矽(Si)無法勝任此一變化下，新世代的材料因應而生。但這些新材料又是如何挑選的呢？本期宜特小學堂將從能隙的量測和磊晶品質等面向來探討，新世代的新材料如何挑選?

一、選擇高能隙材料的原因?

隨著電能需求的大增，高電壓、大電流、傳輸快、散熱佳是未來新世代材料的必要條件。基本上，要能承受較高的電壓條件，即是半導體材料的能隙（Energy Band gap，簡稱 Eg）要夠大，才可承受更高的臨界場（Critical electric field），以達到穩定快速又更高功率的轉換與輸出。

傳統的矽（Si）材料能隙約在 1eV，而目前手持式行動裝置或車用快充，分別使用的第三類半導體為氮化鎵（GaN）與碳化矽（SiC），其能隙則在 3eV 左右，約為 Si 的三倍，若是能找到更高的寬能隙材料，必定會讓我們生活變得更多采多姿。

因此要如何量得能隙的數值呢？宜特材料分析實驗室建議，可透過搭載在 X 光電子能譜儀（XPS）儀器上的紫外光電子能譜（UPS）和低能反光電子能譜（LEIPS）兩項功能，並搭配軟體分析計算後得知。

二、如何使用 UPS 與 LEIPS 測量能隙？

（一）紫外光電子能譜（UPS）：量測「功函數」和半導體的「游離能」

UPS 主要是用氦氣（He）產生的紫外光做激發源，其能量約 21.12eV。相較於 XPS 使用的 X 光源能量（~1KeV）小很多，因此僅會針對原子最外層的電子產生彈性碰撞，得到的會是較表層的光電子能譜。

從能帶結構來說，得到的即是原子最外層價電子能帶（Valence band）結構，由此能夠測量得出「功函數φ（Work function）」或計算出半導體的游離能 IE（Ionization Energy）。

（二）低能反光電子能譜（LEIPS）：量測半導體材料的導電帶（Conduction band）結構

另外一個是使用 LEIPS 量測半導體材料的導電帶（Conduction band）結構，得到電子親合能 EA（Electron Affinity），如圖一右的半導體能帶圖，其中間的能隙值可以很容易地經由游離能（IE）減去 EA（電子親合能）而得到。

▲圖一：金屬導體（左）與半導體（右）的能帶圖（Source：宜特科技材料分析實驗室）

因此透過這二個功能，即可獲知我們新材料的能隙數值。

在新一類 Ga₂O₃的元件開發中，其中有研究將 Nb₂O₅加入製作成 N 型摻雜（Nb Doped）β-Ga₂O₃的晶體特性，如圖二藉由 UPS 能譜量測結果可得到φ（WF）為 4.96eV，而藉由右圖的能帶圖可推得能隙值為 4.68eV。另外也有研究利用氧化鋁（Al₂O₃）摻入 Ga₂O₃材料中形成（Al_xGa_1-x）₂O₃的合金結構，即能夠將能隙值再作提升。

▲圖二：UPS 分析 Nb dopedβ-Ga₂O₃的功函數以推導出能隙值。（Ref: Crystals 2021, 11, 135.）

如圖三可以發現當鋁（Al）的組成 x 從 0.25 提高至 0.50，能隙又再提升 0.6eV 左右，相對地崩潰電場也些微的增加，對於功率的提昇又有更大的助益。

▲圖三：β-Ga₂O₃ & β-（Al_xGa_1-x）₂O₃合金，當 x=0.25 與 x=0.5 的能隙與特性。（Ref: Appl. Phys. Lett. 121, 240503（2022））（Source：宜特科技）

三、晶體堆疊的差異如何影響能隙？透過 XRD 鑑定

影響材料的另一個特性是晶體堆疊的結構，所謂的同素異形體，即使是相同的元素材料，亦會因晶體排列的順序不同，導致材料特性有所差異。比如同樣是 SiC，就有高達二百多種的結晶型態，而其中最主要的三種分別為六方晶型（Hexagonal）的 α-6H SiC 與 4H SiC 以及立方晶型（Cubic）的 β-3C SiC。

而適合目前功率元件製造的主要為 4H SiC 結構，除了是較易製作成大片晶圓外，另一因素是其能隙最高，且電子移動率最快。

如圖四列出這三種 SiC 晶型與 Si 的能隙等性質差異。同樣地在 Ga₂O₃這個能隙更高的材料中，也存在著不同的晶型，如α（三方, Trigonal）、β（單斜, Monoclinic）、δ（立方, Cubic）等。因此，宜特材料分析實驗室建議，可透過 X 光繞射分析（XRD），去進行鑑定其晶體堆疊排列的差異，以便選擇出最優秀的材料。

▲圖四：不同 SiC 晶型與 Si 的能隙以及臨界電場的差異。（Ref: Crystals 2022, 12, 245）

圖五即為在 Al₂O₃基板上成長 Ga₂O₃薄膜的 XRD 繞射圖譜，經過比對 ICDD PDF Pattern（資料庫編號）01-082-3838 確認為 β 相（單斜晶），優選方向為。

▲圖五：Al₂O₃基板上 Ga₂O₃薄膜的 XRD 分析結果比對確認為單斜晶型的 β 相。（Source：宜特科技材料分析實驗室）

四、如何觀察晶體堆疊的瑕疵與缺陷? 仰賴 XRD 與 AFM

一旦選出最合適的材料後，就可開始製作成元件，並開始在表面堆疊各式各樣的薄膜，這可能是相同的材料，如 SiC 以及 Ga₂O₃上的磊晶（Epitaxy 簡稱 EPI）漂移層（Drift layer），或是不同的化合物材料，如 Si 或 SiC 基板上的 GaN 磊晶，由於晶體結構上晶格的不匹配，導致接合的不完美，進而產生差排、缺陷等。

在完成磊晶製程的晶圓，即可藉由 XRD 的搖擺曲線（Rocking curve），或是拉曼光譜的偏移（Raman shift）分析鑑定其磊晶的品質。基本上可藉由量測半高寬（FWHM）的大小來評斷，如圖六為成長（400）β-（Al_xGa_1-x）₂O₃單晶在不同比例的 Al 含量（x：0~0.3）分析搖擺曲線疊圖的比較結果，顯示在 Al 含量小於 0.3 時的半高寬都穩定維持在 30~50 弧秒（Arc sec），當含量等於 0.3 時半高寬已變寬達到 150Arc sec，這是內部形成較多的缺陷導致晶格扭曲所致。

▲圖六：在（100）晶面的晶種上成長單晶 β-（Al_xGa_1-x）₂O₃在不同比例的 Al 含量（x=0~0.3） rocking curve 疊圖的比較結果。（Ref：J. Appl. Phys. 133, 035702 （2023））（Source：宜特科技）

此外，也能藉由原子力顯微鏡（AFM）掃描磊晶後表面的形貌，判斷是否因晶格不匹配形成堆疊的瑕疵，或是製程條件不同所產生的問題來做改善。

如圖七是 AFM 量測磊晶形成後三種典型的表面形貌，分別呈現出島狀（Island growth）、階梯流（Step flow）與階梯聚集（Step Bunching）的不同成長機制，可提供磊晶製程條件的改善依據。

然而當在製作成元件後，數十微米以下的微區觀察，宜特材料分析實驗室建議，此時則需透過試片進行研磨斷面掃描電鏡（Cross-sectional SEM）分析，或是雙束聚焦離子束顯微鏡（DB-FIB）定點製備觀察，甚至可用穿透式電鏡（TEM）分析更微小的奈米級缺陷、差排等問題。

▲圖七：AFM觀察磊晶表面的三種典型形貌: 2D 島狀（Island growth）、階梯流（Step flow）與階梯聚集（Step Bunching）（Ref：Appl. Phys. Lett. 121, 240503（2022））（Source：宜特科技）

近幾年雖然 GaN 與 4H-SiC 的材料已成功商業化，並證明其優越的性質，但國外有很多研究開始探索如鑽石（Diamond）和氮化硼（BN）等，是否能作為功率元件 SiC 和 GaN 的替代材料。除了因為它們具有更高的能隙，即具備「超寬能隙」（ultra-wide band gap；UWBG）之外，另外也由於在熱導性質中 Diamond 又比 GaN 高 8 到 10 倍，如圖八所列，這可以使功率模組的體積在額定的功率下縮小 90%，如此未來的產品性能將會更加優秀的便於世人所採用。

▲圖八，超寬能隙（UWBG）與寬能隙（WBG）材料性質的比較。（Ref. J. Phys. D: Appl. Phys. 53（2020））（Source：宜特科技）