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序言 |
随着半导体及材料产业的快速发展，闳康科技除了提供专业完整的分析服务外，特别开设「科技新航道 | 合作专栏」邀请产学研界的教授及专家，专文撰写介绍目前最热门、最先进的科技研究发展内容，携手客户及早掌握下一世代的关键产业技术。同时我们也将在专栏中预告下期主题，欢迎有兴趣了解新世代热门科技知识的读者们定期关注我们的新专栏。
本期「科技新航道 | 合作专栏」邀请到国立阳明交通大学电子研究所的 洪瑞华特聘教授，介绍「第四代半导体Ga2O3技术原理、优势与产业前景」。洪教授多年来致力于宽能隙材料应用与光电及功率组件研发等领域的前瞻研究，除了获得科技部延聘担任工程司「光电学门」召集人，亦担任国际上各重要专业组织如美国光电学会 ( OSA )、国际光电工程学会( SPIE )、国际电子电机工程协会 ( IEEE ) 的院士 ( Fellow )，以及国际重要学会的理监事与知名学术期刊编辑。今年，闳康科技亦与洪教授共同进行产学合作计划，期望藉由强强联手，能有更多的优秀成果得以展现。
闳康科技研发中心处长 陈弘仁 2021/10/10
第四代半导体Ga2O3技术原理、优势与产业前景
洪瑞华 教授
台湾陽明交通大学电子研究所
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技术原理与优势 |
尽管以Si衬底为主的组件已经主导目前科技产业之IC与相关之电子组件，此类产品仍存在与面临许多极限，无论在高功率或是高频组件与系统，除了不断进行结构设计外，新兴材料亦推陈出新。特别是第三代半导体以SiC与GaN为主之高功率组件与系统，在大电力与高频组件上被赋予重任，其相关之应用已陆续应用在相关之产业。尽管如此，被视为第四代之超宽能隙氧化镓(Ga2O3)和钻石等新一代材料，特别是Ga2O3因为其基板制作相较于SiC与GaN制作容易，又因为其超宽能隙的特性，使材料所能承受更高电压的击穿电压和临界电场， 其在超高功率组件之应用潜力不容小觑，图(一)(a)为现今常用之半导体材料所适用之频率与工作功率范围，(b)为现今常用之半导体材料其对应之能隙与击穿电场[1]。从此图中可发现Ga2O3应用之功率范围高达1 kW-10 kW。
Ga2O3拥有五种晶相(polymorphs) (monoclinic (β-Ga2O3), rhombohedral (α), defective spinel (γ), cubic (δ), or orthorhombic (ε))，且拥有约4.5-4.9eV的超宽能隙与临界电场（Ebr) 高达 8 MV/cm，相较于GaN 的能隙 3.4eV，SiC的能隙 3.3eV 都高出许多，在Barliga评价(BFOM)宽能隙半导体的系数中Ga2O3高达3444，是SiC的十倍， GaN的四倍，此一系数关系着组件所能承受之最高电压，从此BFOM系数也可以看到Ga2O3在高功率组件之应用潜力!相关之材料特性比较如表(一)所示。
图(一)(a)现今常用之半导体材料所适用之频率与工作功率范围与(b)现今常用之半导体材料其对应之能隙与击穿电场 [1]。 |
表(一)相关之材料特性比较 |
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在高功率组件之应用，除其击穿电场需够高外，在导通电阻方面也是重要参数之一。如图(二)所示，Ga2O3之导通电阻也较GaN与SiC低，也因此Ga2O3在工业或是军事上作为整流器时将会是非常好的应用[2]。现今SiC和GaN的产业应用已经成熟许多，但Ga2O3在应用方面仍有待开发，可以看到其未来潜力值得期待，但仍有许多问题我们必须去克服。 |
图(二)寬能隙材料其击穿电压与导通电阻之关系图 [2] |
目前Ga2O3在材料本身主要之问题为散热与P-type掺杂不易达成；散热方面，可以发现热导率(0.25 W/cm.K)相较于其他高功率材料差; SiC热导率4.9 W/cm.K，GaN热导率2.3 W/cm.K，此严重会造成在组件操作方面接口的热击穿与目前主要透过结构设计解决此问题，例如使用高导热系数的基板帮助分流其操作的高温。另一方面，P-type 掺杂则更为棘手，目前尚未有足够的空穴迁移率文献被发表提出，有主要以下三个原因:首先因为Ga2O3在氧的共价键方面为2p轨道，拥有非常强的键结电子不容易被抢走，造成深受主态(deep acceptor state)。第二，Ga2O3中的空穴有效质量(effective mass)太高，造成平价带(flat valence band)边缘倾向于氧。最后，因为自由电子的容易被自我捕捉(self-trapped)于晶格扭曲(lattice distortion)中，使扩散与低电场的漂移都不太可能去实现。这是Ga2O3目前所面临的一些问题，有待去改善以达到更多元的应用。
长晶部份，主要有floating zone(FZ)、edge defined film (EFG)、与Czochralski methods(CZ)，这些方法在制作蓝宝石衬底已经使用多年，因此在生产浅潜力上相较其他化合物半导体GaN和SiC，更能大量生产与降低成本。
图(三) EFG長晶法成長Ga2O3晶棒之示意图[3] |
在现今商业生产上主要应用EFG长晶法，如图(三)所示[3]，此方法能生产大量且高纯度的Ga2O3晶体，在N2/O2下融化高纯度(5N)的Ga2O3Powder在Ir的坩埚中，并以每小时15 mm的速率从晶种中拉出晶棒，最后再去清洗切割，若要n-type掺杂后续再掺Sn或Si等元素。 |
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产业前景 |
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图(四)(a) Ga2O3感测器应用现况与未来 |
Ga2O3因为其许多优良的特性可以应用在许多方面[4, 5]，如图(四)所示，特别是其宽能隙特性能在功率组件上有显着的应用，如图(四)(a)，不管电动车、电力系统、风力发电机的涡轮等等都是其应用范围 在光电组件方面因为Ga2O3的薄膜为透明的，因此可以当作透明面板上的组件，此外光感与气体传感器领域都是其应用范围，如图(四)(b)。产业前景方面Ga2O3应用广泛，且潜力极大仍有许多组件等待被开发与商业化，可以说是很有前瞻性的材料之一！ |
图(四)(b) Ga2O应用现況与未來 [4,5] Prof. Klaus-Dieter Kohl et al. Journal of Materiomics Volume 5, Issue 4, December 2019, Pages 542-557 |
综上所述，Ga2O3属于新开发之材料，无论在同质外延(homojunction epitaxy)或异质外延(heterojunction epitaxy )，此类材料无论在晶相鉴定，ˋ物量测，表面形貌或平整度，甚至成份鉴定，掺杂浓度之量测，闳康科技皆可提供相关之检测服务。
- 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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闳康编辑室后记 |
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结构及成份鉴定的分析技术介绍请参考：
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