Ga₂O₃ 元件十年內將取代 SiC 應用? 當 Si 植入 β-Ga₂O₃ ，實現高功率元件的關鍵指標

目前半導體業主要使用 Si 製作各式元件，隨著製程技術進步與元件結構改進，以 Si 所製作之相關元件已達到的材料特性之限制，無論是通訊 5G 與 6G、綠能產業、電動車的需求，勢必要使用其他半導體材料以滿足高速、高功率的元件特性。

▲ 本文出自國立陽明交通大學電子研究所洪瑞華教授及蔡欣穎同學、Aproova Sood 等團隊成員，於閎康科技「科技新航道 | 合作專欄」介紹「離子佈植研製成長於藍寶石基板之N型 β-Ga₂O₃ 磊晶膜及其元件特性之研究」文稿，經科技新報修編。

近幾年，電動車與再生能源的快速發展，帶動了功率元件的需求與性能要求不斷提升。而矽（Si）的能隙僅為 1.12 eV，無法承受高電壓。因此在高電壓、大功率的功率元件領域，第三代寬能隙半導體碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）逐漸得到應用。這些材料可大幅提升功率元件的電壓和功率，進而改善電動車和再生能源應用中的轉換效率。

Ga₂O₃：功率元件的未來發展

一般在功率元件方面常使用 Baliga’s Figure-Of-Merits（BFOM）來評斷半導體材料的特性，BFOM 正比於  εμE_c³，隨著材料的 E_g 增加，材料的臨界電場（Critical electric field, E_c）亦增加，BFOM 則隨之大幅增加，而 BFOM 越大代表材料在功率元件應用的潛力越高。如表（一）所示，SiC 與 GaN 的 E_g 分別為 3.3 與 3.4 eV，因此在 BFOM 相較於 Si 之 BFOM 分別是 340與 870。然而，SiC 與 GaN 的原生基板成長條件嚴峻、價格昂貴，使得製作出的功率元件售價相比之下，價格比 Si 金氧半場效電晶體（MOSFET）、Si IGBT 昂貴許多。

另一方面，第四代寬能隙氧化物半導體 Ga₂O₃ 的成長條件不需要高溫高壓，成本較低，而且Ga₂O₃ 的 E_g 高達 4.8 eV，其 BFOM 分別為 SiC 與 GaN 之 4 倍與 10 倍。若能成功製造 Ga₂O₃ 元件，其崩潰電壓將會大幅提升。

此外，Ga₂O₃ 元件的導通電阻理論上低於 Si、GaAs、SiC 和 GaN，可降低元件使用時的功率消耗，進而提升轉換效率。因此，Ga₂O₃ 被視為有機會取代 SiC 與 GaN，成為下世代高功率元件的半導體材料。甚至有人認為，Ga₂O₃  在十年內有機會取代 SiC 的應用。

▲ 圖一 半導體材料特性比較圖

Ga₂O₃ 總共有五種晶相（Polymorphs）：monoclinic（β-Ga₂O₃）、rhombohedral（α- Ga₂O₃）、defective spinel（γ- Ga₂O₃）、cubic（δ- Ga₂O₃）、 orthorhombic（ε- Ga₂O₃），其中以 β-Ga₂O_3­ 的穩定性最高，其餘四種晶相在高溫下皆會相變化成 β-Ga₂O_3­。β-Ga₂O₃ 的化學穩定性、熱穩定性高，非常適合做為功率元件。

▲ 圖二 各種 Ga₂O₃ 晶相轉換之關係圖[1]

β-Ga₂O₃  功率元件的特性

儘管 β-Ga₂O₃ 有以上諸多優點，而製作成元件必須有可控制導電性之薄膜方能應用，由於 β- Ga₂O₃ 的能隙高達 4.8 eV，其本質載子濃度（Intrinsic carrier concentration）僅有1.79 × 10^-23 cm^-3 [2]，，也因此無摻雜 β-Ga₂O₃ 的阻值非常高，如同絕緣體一樣，不適合用於製作半導體元件。

由於材料的特性，目前製備 P-type β-Ga₂O₃ 非常困難，相較之下 N-type β-Ga₂O₃ 尚有機會可以達成，根據理論計算 Si、Ge 與 Sn 等雜質在 Ga₂O₃ 中的 donor level 非常接近導帶（Conduction band），其活化能（Activation energy）分別為 30、30、60 meV，為 shallow donor levels [3]。由實驗證明這些雜質之摻雜物的活化率高。先前已有多組研究團隊利用分子束磊晶（Molecular beam epitaxy, MBE）在 β- Ga₂O₃ 基板上成長 β-Ga₂O₃，並以Si[3]、Ge[4]、Sn[5]摻雜，皆可有效提升 β-Ga₂O₃ 的電子濃度，降低 β-Ga₂O₃ 的片電阻值，因此可以用於製作功率元件。

MBE 設備需要超高真空，且沉積速率慢、成本高，不適合用於大量生產，僅適合做為材料早期的研究與驗證。金屬有機化學氣相沉積（Metal-organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD）的產量高、成本較低、結晶品質佳，適合用於大量生產 β-Ga₂O₃ 。Zixuan Feng 與其團隊利用 MOCVD 機台中通入三乙基鎵（Triethylgallium, TEGa）與 O2，並使用矽甲烷（Silane, SiH4）做為前驅物（Precursor）製備 in-situ Si doped β-Ga₂O₃  薄膜[6]，且可改變腔體壓力來控制 Si 的摻雜濃度，經由霍爾量測（Hall measurement），其載子濃度可達 1016 cm-3以上，並且在室溫下的載子遷移率（Mobility）184 cm²/V⸱s。

本研究團隊已成功在 β-Ga₂O₃ 基板上磊晶 β-Ga₂O₃  薄膜，然目前 β-Ga₂O₃  基板尚未普及，屬於高單價之材料；相較之下，與 β-Ga₂O₃  晶格常數極為接近之 c-plane Sapphire 基板，基板價格極為親民，更具市場競爭力。本實驗室已可在 c-plane Sapphire 基板上以 MOCVD 磊晶成長高品質的未摻雜（UID）（-2 0 1）β-Ga₂O₃，經由 XRD 量測，其（-2 0 1）之半高寬（Full width at half maximum, FWHM）可低至 400 arcsec，代表 β-Ga₂O₃  具有高度的結晶性。

▲ 圖三（a）β-Ga₂O₃ on Sapphire之晶圓圖（b）XRD 圖

Si 離子佈植技術（Implantation）

上述我們介紹了 β-Ga₂O₃ 功率元件的特性，為了降低阻值提升 UID β-Ga₂O₃ 的導電性，我們使用Si離子佈植技術（Implantation），將 Si 植入 β-Ga₂O₃ 薄膜中，並使用高溫快速熱退火（Rapid Thermal Annealing, RTA）修補受到 Si 離子撞擊所產生的缺陷與活化 Si dopant。藉由改變 Si Implantation 的植入劑量與植入之能量改變 Si 的濃度分佈，並搭配黃光製程在特定區域進行摻雜，相較於磊晶時加入摻雜，離子佈植改變磊晶膜之電性在元件製作方面具有較大的彈性。

蕭特基二極體（Schottky barrier diode, SBD）

蕭特基二極體（Schottky barrier diode, SBD）為一種常見的功率元件，SBD 是利用金屬與半導體間 Schottky junction 達到整流的特性，SBD 具有低導通電壓、高導通電流、高切換速度等特性。在研究上，SBD 可利用 I-V、C-V 等方式萃取出半導體的載子濃度，亦可利用變溫及大電壓量測來判斷半導體的崩潰電場、材料穩定度與品質。因此，本文將以摻雜之 SBD 評估異質磊晶成長於 Sapphire 之 Ga₂O₃ 製作成高功率 SBD 之可行性。

Si Implantation 劑量對 β-Ga₂O₃ 缺陷的影響

我們使用 3 種 Si Implantation 劑量植入 β-Ga₂O_3­ 磊晶薄膜，分別是1×10¹⁴、6×10¹⁴、1×10¹⁵ cm^-2，再經由高溫 RTA 處理，活化 Si dopant。由於 Si Implantation 需要以高能量 Si 離子撞擊 β-Ga₂O₃ 表面來植入磊晶薄膜中，容易在試片表面產生缺陷，因此我們對這三種經過 Si Implantation 試片與 UID β-Ga₂O₃ 進行原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope, AFM）量測，結果如圖四所示。相較於 UID β-Ga₂O₃，經過 Si Implantation 後 Si 填補 Ga 空缺，使得缺陷減少，造成 Si Implantation β-Ga₂O_{3 ­­}的方均根（Root Mean Square, RMS）粗糙度下降。隨著 Implantation 劑量的增加，Si 原子形成複合物（Complexes），這些複合物缺陷聚積，使得表面粗糙度增加。

▲圖四（a）UID β-Ga₂O₃ SBD 之 AFM 圖；Si implantation 劑量為（b）1×10¹⁴ cm^-2（c）6×10¹⁴ cm^-2（d）1×10¹⁵ cm^-2之 AFM 圖

Si 摻雜 β-Ga₂O₃ SBD 的製作

為了更進一步的研究，我們將 3 種劑量（1×10¹⁴、6×10¹⁴、1×10¹⁵ cm^-2）的 Si Implantation β-Ga₂O₃ 製作成 SBD，並與 UID β-Ga₂O₃ SBD 進行比較。 SBD 之研製，陽極（Anode）電極使用 Ni/Au 做為 Schottky contact，陰極（Cathode）電極使用 Ti/Au/Ti/Al 做為 Ohmic contact，β-Ga₂O₃ SBD 元件之剖面結構圖與電極圖形以掃描式電子顯微鏡（SEM）觀測之影像如圖五所示。

▲圖五 β-Ga₂O₃ SBD 之剖面與上視 SEM 圖

Si 摻雜對 β-Ga₂O₃  SBD 性能的影響

β-Ga₂O₃ SBD 製作完畢後，利用 Keysight B1505A 功率元件分析儀進行 I-V 量測分析，結果如圖六所示[8]，經由 Si Implantation 後，SBD 的開態電流可以提升 108 倍，並隨著 Si Implantation 劑量增加，電流大幅增加，代表 Si 取代 Ga 提供電子，增加載子濃度，有效降低 β-Ga₂O₃ 的阻值與提升元件的性能。對 J-V 圖微分以計算 R_on,sp，結果如圖七所示，經由 Si Implantation 的 SBD，R_on,sp 幅下降。使用式 1 對 J-V 圖進行擬合分析（Fitting）以計算出SBD 理想因子（Ideality Factor, η），η 值越接近 1 代表元件特性越接近理想公式， UID β-Ga₂O₃ SBD 的 η 為 8.05，經過 Si Implantation 的 SBD 有效降低串聯電阻，因此 η 值大幅下降，而隨著 Implantation 劑量增加，η 從 1.37 上升至 2.08，則是因為摻雜濃度（N_D）增加，而發生穿隧效應，使得 η 值上升。

▲ 圖六（a）UID β-Ga₂O₃ SBD 之 I-V 圖；Si implantation 劑量為（b）1×1014 cm^-2（c）6×1014 cm^-2（d）1×1015 cm^-2之 I-V 圖

▲ 圖七 UID 與 Si Implantation β-Ga₂O₃ SBD 之特性表

Si 摻雜調控 β-Ga₂O₃ SBD 載子濃度與導電性

β-Ga₂O₃ SBD C-V 量測結果如圖八所示，使用半導體元件物理公式（式 2 ~ 7）進行分析，計算出 3 種劑量（1×10¹⁴、6×10¹⁴、1×10¹⁵cm^-2）Si Implantation β-Ga₂O₃ 的載子濃度分別是1.08×10¹⁷、4.31×10¹⁸、1.07×10¹⁹ cm^-3，代表 Si Implantation 技術可以大幅調控 β-Ga₂O₃ 的載子濃度與導電性，而 UID β-Ga₂O₃ SBD 則因阻值過高，超過機台解析極限。將式 3~ 7 的計算結果帶入式 2 即可計算出等蕭基能位障高（Effective Schottky Barrier Height, ϕBn），3 種劑量（1×10¹⁴、6×10¹⁴、1×10¹⁵cm^-2）Si Implantation β-Ga₂O₃ 的 ϕ_Bn 分別是 0.82、0.54、0.32 V，隨著 Implantation 劑量增加，Metal Induced Gap States（MIGS）造成 fermi level pinning 更加嚴重，使得 ϕ_Bn 下降，導致反向漏電流增加。

▲ 圖八（a）UID β-Ga₂O₃ SBD 之 C-V 圖；Si implantation 劑量為（b）1×1014 cm^-2（c）6×1014 cm^-2（d）1×1015 cm^-2之 C-V 圖

Si 摻雜對 β-Ga₂O₃ 崩潰電壓與溫度特性的影響

β-Ga₂O₃ SBD 作為高壓、高功率元件，需要承受高逆偏電壓。本團隊對這四種元件進行大電壓的 Breakdown 量測，UID β-Ga₂O₃ SBD 的崩潰電壓（Breakdown voltage, V_BD）高達1030 V，而隨著 Si Implantation 劑量增加，V_BD降低，代表在大劑量 Implantation 後產生大量缺陷，因此在 Implantation 後需要進一步的處理與分析，以減少缺陷密度，降低 SBD 的逆偏漏電流，提升 V_BD。

功率元件在大電流下操作產生大量的熱，使得元件溫度上升，改變元件特性，因此本團隊對 Si Implantation β-Ga₂O₃ SBD 元件進行變溫 I-V 量測，結果如圖九所示，隨著元件溫度增加，順偏電流（Forward current）上升；開態電阻（On-resistance）下降，這是由於溫度升高時熱晶格振動效應引起的電子激發和躍遷，使得電流增加。[7]

▲ 圖九 Si implantation 劑量為(a) 1×10¹⁴ cm^-2 (b) 6×10¹⁴ cm^-2 (c) 1×10¹⁵ cm^-2 β-Ga₂O₃ SBD 之變溫 I-V 圖

Si Implantation β-Ga₂O₃ 的材料特性與 SBD 的元件特性

β-Ga₂O₃ 具有超寬能隙 4.8 eV，其 Baliga Figure of Merit（BFOM）值為 Si 的 3444 倍，非常適合用於功率元件。然而，未摻雜 β-Ga₂O₃ 的阻值非常高，無法用於半導體元件的製作，因此需要適度的摻雜，以提升載子濃度，降低阻值。N 型 β-Ga₂O₃ 常使用 Si、Ge、Sn 做為 donor，提升電子濃度。

國立陽明交通大學電子研究所洪瑞華教授及蔡欣穎同學、Aproova Sood 等團隊利用 MOCVD 製備了高品質、高結晶性 UID β-Ga₂O₃，並可利用 Si Implantation 大幅調控 Si 的摻雜濃度，有利於功率元件的製作。團隊也成功利用 Si Implantation β-Ga₂O₃ 製作 SBD，並且利用多種量測技術探討用 Si Implantation β-Ga₂O₃ 的材料特性與 SBD 的元件特性。

本論文部分內容與數據已刊登在“Electrical performance study of Schottky barrier diodes using ion implanted β-Ga₂O₃ epilayers grown on sapphire substrates”, Materials Today Advanced, 17, 100346, 2023。

（首圖來源：Shutterstock；資料來源：閎康科技）

參考文獻

[1] Xue, H., He, Q., Jian, G., Long, S., Pang, T., & Liu, M.（2018）. An overview of the ultrawide bandgap Ga₂O₃ semiconductor-based Schottky barrier diode for power electronics application. Nanoscale research letters, 13（1）, 1-13.

[2] Kotecha, R. M., Zakutayev, A., Metzger, W. K., Paret, P., Moreno, G., Kekelia, B., … & Graham, S.（2019, October）. Electrothermal Modeling and Analysis of Gallium Oxide Power Switching Devices. In International Electronic Packaging Technical Conference and Exhibition（Vol. 59322, p. V001T06A017）. American Society of Mechanical Engineers.

[3] Kalarickal, N. K., Xia, Z., McGlone, J., Krishnamoorthy, S., Moore, W., Brenner, M., … & Rajan, S.（2019）. Mechanism of Si doping in plasma assisted MBE growth of β-Ga₂O₃. Applied Physics Letters, 115（15）, 152106.

[4] Ahmadi, E., Koksaldi, O. S., Kaun, S. W., Oshima, Y., Short, D. B., Mishra, U. K., & Speck, J. S.（2017）. Ge doping of β-Ga₂O₃ films grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy. Applied Physics Express, 10（4）, 041102.

[5] Mauze, A., Zhang, Y., Itoh, T., Ahmadi, E., & Speck, J. S.（2020）. Sn doping of（010）β-Ga₂O₃ films grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy. Applied Physics Letters, 117（22）, 222102.

[6] Feng, Z., Anhar Uddin Bhuiyan, A. F. M., Karim, M. R., & Zhao, H.（2019）. MOCVD homoepitaxy of Si-doped（010）β-Ga₂O₃ thin films with superior transport properties. Applied Physics Letters, 114（25）, 250601.

[7] He, Q., Mu, W., Dong, H., Long, S., Jia, Z., Lv, H., … & Liu, M.（2017）. Schottky barrier diode based on β-Ga₂O₃（100）single crystal substrate and its temperature-dependent electrical characteristics. Applied Physics Letters, 110（9）, 093503.

[8] Apoorva Sood, Dong-Sing Wuu, Fu-Gow Tarntair, Ngo Thien Sao, Tian-Li Wu, Niall Tumilty, Hao-Chung Kuo, Singh Jitendra Pratap, Ray-Hua Horng,（2023）“Electrical performance study of Schottky barrier diodes using ion implanted β-Ga₂O₃ epilayers grown on sapphire substrates”, Materials Today Advanced, 17, 100346.