第三代寬能隙半導體到底在紅什麼？

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，CO₂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。