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序言 |
隨著半導體及材料產業的快速發展，閎康科技除了提供專業完整的分析服務外，特別開設「科技新航道 | 合作專欄」邀請產學研界的教授及專家，專文撰寫介紹目前最熱門、最先進的科技研究發展內容，攜手客戶及早掌握下一世代的關鍵產業技術。同時我們也將在專欄中預告下期主題，歡迎有興趣了解新世代熱門科技知識的讀者們定期關注我們的新專欄。
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本期「科技新航道 | 合作專欄」邀請到國立陽明交通大學電子研究所的 洪瑞華特聘教授，介紹「第四代半導體Ga2O3技術原理、優勢與產業前景」。洪教授多年來致力於寬能隙材料應用與光電及功率元件研發等領域的前瞻研究，除了獲得科技部延聘擔任工程司「光電學門」召集人，亦擔任國際上各重要專業組織如美國光電學會 ( OSA )、國際光電工程學會 ( SPIE )、國際電子電機工程協會 ( IEEE ) 的會士 ( Fellow )，以及國際重要學會的理監事與知名學術期刊編輯。今年，閎康科技亦與洪教授共同進行產學合作計畫，期望藉由強強聯手，能有更多的優秀成果得以展現。 |
閎康科技研發中心處長 陳弘仁 2021/10/10
第四代半導體 Ga2O3 技術原理、優勢與產業前景
洪瑞華 教授
國立陽明交通大學 電子研究所
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技術原理與優勢 |
儘管以 Si 基板為主的元件已經主導目前科技產業之 IC 與相關之電子元件，此類產品仍存在與面臨許多極限，無論在高功率或是高頻元件與系統，除了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，其相關之應用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 因為其基板製作相較於 SiC 與 GaN 製作容易，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，其在超高功率元件之應用潛力不容小覷。圖 (一) (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 [1]，從此圖中可發現 Ga2O3 應用之功率範圍高達 1kW - 10kW。
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 - 4.9 eV 的超寬能隙與臨界電場 ( Ebr ) 高達 8 MV/cm，相較於 GaN 的能隙 3.4 eV，SiC 的能隙 3.3 eV 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，從此 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。
圖(一) (a) 現今常用之半導體材料所適用之頻率與工作功率範圍與 (b) 現今常用之半導體材料其對應之能隙與崩潰電場 [1]。 |
表(一) 相關之材料特性比較 |
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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) 所示，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 [2]。現今 SiC 和 GaN 的產業應用已經成熟許多，但 Ga2O3 在應用方面仍有待開發，可以看到其未來潛力值得期待，但仍有許多問題我們必須去克服。 |
圖(二) 寬能隙材料其崩潰電場與導通電阻之關係圖 [2] |
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，此嚴重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。
另一方面，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，有主要以下三個原因：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。
圖(三) EFG 長晶法成長 Ga2O3 晶棒之示意圖[3] |
在現今商業生產上主要應用 EFG 長晶法，如圖 (三) 所示[3]，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 Ga2O3Powder 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。 |
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產業前景 |
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圖(四)(a) Ga2O3 感測器應用現況與未來 |
Ga2O3 因為其許多優良的特性可以應用在許多方面 [4, 5]，如圖 (四) 所示，特別是其寬能隙特性能在功率元件上有顯著的應用，如圖 (四) (a)，不管電動車、電力系統、風力發電機的渦輪等等都是其應用範圍。 在光電元件方面因為 Ga2O3 的薄膜為透明的，因此可以當作透明面板上的元件，此外光感與氣體感測器領域都是其應用範圍，如圖(四)(b)。產業前景方面 Ga2O3 應用廣泛，且潛力極大仍有許多元件等待被開發與商業化，可以說是很有前瞻性的材料之一！ |
圖(四)(b) Ga2O3 感測器應用現況與未來 [4,5] Prof. Klaus-Dieter Kohl et al. Journal of Materiomics Volume 5, Issue 4, December 2019, Pages 542-557 |
綜觀上述，Ga2O3 屬於新開發之材料，無論在同質磊晶成長 ( homojunction epitaxy ) 或異質磊晶成長 ( heterojunction epitaxy )，此類材料無論在晶相鑑定、異物量測、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。
- Higashiwaki, K. Sasaki, A. Kuramata, T. Masui, and S. Yamakoshi, “Development of gallium oxide power devices,” Phys. Status Solidi A 211, 21–26 (2014).
- Higashiwaki, K. Sasaki, A. Kuramata, T. Masui, and S. Yamakosh. “Gallium oxide (Ga2O3) metal-semiconductor field-effect transistors on single-crystal b-Ga2O3 (010) substrates”, Appl. Phys. Lett, 100, 013504 (2012)
- Kuramata, K. Koshia, S. Watanabe, Y. Yamaoka, T. Masui, and S. Yamakoshia, “Bulk Crystal Growth of Ga2O3”, Proc. SPIE 10533, Oxide-based Materials and Devices IX, 105330E (2018).
- J. Pearton, F. Ren, M. Tadjer, and J. Kim. “Perspective: Ga2O3 for ultra-high power rectifiers and MOSFETS”, J. Appl. Phys. 124, 220901 (2018).
- Afzal, “b-Ga2O3 nanowires and thin films for metal oxide semiconductor gas sensors: Sensing mechanisms and performance enhancement strategies”, J. Materiomics, 5, 542 (2019).
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閎康編輯室後記 |
下期「科技新航道 | 合作專欄」將由國立陽明交通大學電子研究所 李佩雯教授，淺談量子計算硬體 - 量子位元技術之演進與挑戰，敬請持續關注閎康技術文章，帶給您最前沿的技術新知，在全球供應鏈中更具競爭力！
晶相鑑定的分析技術 請參考：
表面形貌或平整度的分析技術 請參考：
結構及成份鑑定的分析技術 請參考：
摻雜濃度的分析技術 請參考：
