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寬能隙半導體的發展近況

  • 林育中

SiC的特性是帶隙比傳統半導體材料矽要寬的多,能耐高電壓、高電流。圖為SiC晶片。SemiElectronics

GaN(氮化鎵)與SiC(碳化矽)這兩種寬能隙(wide band gap)半導體在大陸被稱之為第三代半導體,這是相對於第一代Si、第二代化合物半導體如GaAs(砷化鎵)而言的,它們的共同特性是帶隙比傳統半導體材料矽要寬的多。

電子線路的核心價值在可操控,在以電子為信息載子的技術範疇中操控的是導電與否,這能力是由材料的傳導性質所決定。半導體之所以珍貴是因為它在施加電壓時導電、不施加電壓時絕緣,為此半導體的發現得了一個物理諾貝爾獎。這主要的機制是靠材料的能帶結構。一般固態物質有共價帶與導電帶,二者重合的就是導體,二者遠遠分離的是絕緣體;而二者有點近、又不很近的-可由外加電場操控導電與否-就是半導體,矽的帶隙寬約是1.17 eV。

然而除了導電與否外,電子元件還有許多表現會依賴於材料的特性,譬如耐高電壓、耐高電流、散熱效率、操作頻率等,這些性質部份也依賴於帶隙寬。帶隙越寬的材料越能耐高電壓、高電流。在新能源的應用,耐高壓、耐高電流、高能源轉換效率變成主要訴求,寬能隙材料因此成為寵兒。SiC的帶隙寬為3.26 eV,GaN的為3.5eV,而又各有特色,因此成為功率或射頻元件的新材料。

GaN除了寬能隙外,電子流動性(electron mobility)也高,因而所製成的電晶體也能高頻率的操作,在射頻的應用也有用武之地。

目前GaN在半導體產業的應用除了已經成熟的LED外,主要有兩個方向:微波射頻與電力電子。以其襯底(substrate)分類,電力電子多是GaN-on-Si,而微波射頻多是GaN-on-SiC。

電力電子的技術發展趨勢是優化大尺寸磊晶技術,其主要應用是快充,因為GaN元件有高頻率、小體積的優勢。但是對於稍高能量密度的應用,GaN-on-Si目前出現可靠性的顧慮。當曝露在高能量密度的應用環境下,異質結構介面會產生自退火(self-annealing)的現象,因此引發可靠性的問題。這個問題有待解決,目前只能將其應用限於較低功率市場。

微波射頻是將興的5G應用大熱門,目前的GaN元件是600V高電子流動率電晶體(High Electron Mobility Transistor;HEMT),已於2014年後成GaN元件主流產品。它的功耗佳,帶寬高,在4GHz以上可以輸出比傳統GaAs高的頻率。尤其5G中的massive MIMO(Multiple-In Multiple-Out)規格需要數量大的陣列天線,使用元件需要小尺寸、高效率、高功率密度的特性,而這正是GaN可以提供的。

至於製程方面,Ga與SiC之間長有一Al成核層(nucleation layer),這樣多層的異質結構介面照例是個問題。但這在Ga-on-SiC上已有比較好的解決方案。前幾天媒體報導瑞典SweGaN AB公司的陳志泰以及他所屬團隊以MOCVD的方法磊晶,讓缺陷密度降低2~3個階秩,從而讓整個夾層厚度降低為1/20。這個製程可以讓GaN的特性充份發揮,達到近乎理論預期的結果。這個製程也許也可以用來改善GaN-on-Si的界面問題,雖然材料和問題很不一樣。

SiC目前的晶圓尺寸為6吋、GaN為2、3吋,也有4吋的。SiC預計在2、3年後向8吋邁進。是這些超越摩爾定律(more than Moore)的經濟增值新方向讓機器原廠廠商翻新機(refurbished equipment)的生意做不完!

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。