第四代半導體技術原理與優勢，為何值得期待？
2021-10-21 12:56:15 科技新報（臺） 作者：洪瑞華Ga2O3 技術原理與優勢
雖然以Si基板為主的組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。
盡管如此，被視為第四代之超寬禁帶氧化鎵（Ga2O3）和鉆石等新一代材料，特別是Ga2O3 因其基板制作相較于SiC與GaN更容易，又因為其超寬禁帶的特性，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范圍，（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 應用之功率范圍高達 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 的超寬禁帶與臨界電場（Ebr）高達 8 MV/cm，相較于GaN 的能隙 3.4eV，SiC 的能隙 3.3eV 都高出許多，在 Barliga 評價（BFOM）寬禁帶半導體的系數中 Ga2O3 高達 3444，是 SiC 的十倍、GaN 的四倍，此一系數關系著元件所能承受之最高電壓，由此 BFOM 系數也可以看到 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）寬禁帶材料其崩潰電場與導通電阻之關系圖。
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，特別是其寬禁帶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范圍。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組件，光感與氣體傳感器領域也都可以是其應用范圍。
也因此Ga2O3 產業前景方面應用廣泛，且潛力極大仍有許多組件等待被開發與商業化，可說是很具前瞻性的材料之一！
▲ Ga2O3 傳感器應用現況與未來。
▲ 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）相較于其他高功率材料差;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組件操作方面接口的熱崩潰，目前主要透過結構設計解決此問題，例如使用高導熱系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）邊緣傾向于氧。最后，因為自由電洞的容易被自我捕捉（self-trapped）于晶格扭曲（latticedistortion）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）、edgedefined film（EFG）、與 Czochralskimethods（CZ），這些方法在制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，并以每小時 15 mm 的速率從晶種中拉出晶棒，最后再去清洗切割，若要 n-type 摻雜后續再摻 Sn 或Si 等元素。
▲ EFG 長晶法成長 Ga2O3 晶棒之示意圖。
綜觀上述，Ga2O3 屬于新開發之材料，潛力極佳與產業應用前景可期。
