智慧應用 影音
Reserch
科睿唯安

第三代半導體的展望與迷思

近年來第三代半導體SiC 及GaN,也就是所謂的寬能隙(wide bandgap)半導體,一直受到業界及大眾媒體的矚目。

近年來第三代半導體SiC 及GaN,也就是所謂的寬能隙(wide bandgap)半導體,一直受到業界及大眾媒體的矚目,其最大的應用在於功率半導體元件。功率半導體在半導體的產業,過去一直是扮演配角的角色,然而由於節能減碳的要求,各項新興節能產業如電動車、太陽能發電、直流電網、充電樁等,都需要高轉換效率的功率半導體。

此外在高效能IC運算,如伺服器、AI/GPU加速卡等系統,所使用的電壓越來越低,所需的電流卻越來越大,在在都強化了第三代半導體在半導體領域的能見度。但是SiC 及GaN 就足以超越過去Si功率元件所無法達到的特性了嗎?

功率半導體有兩個最重要的物理參數,一個是電子的移導率也就是速度/電流,另一個就是能隙(bandgap)了,能隙決定了半導體的崩潰電場,也就是能承受住多大的電壓。SiC 及GaN之所以被稱為寬能隙半導體,是因為其能隙是Si的三倍餘,而崩潰電場是能隙的平方項,也就是為Si近十倍之多。

功率半導體元件在電力系統是當作開關來使用,所以在導通時需要有低的阻抗及大的電流;而在切斷時元件需要承受住大的電壓。尤其在大功率的電力系統,系統會儘量提高電壓而刻意維持較小的電流,以提升其電能轉換的效率,也就是會從600V的操作,提高到1,200V甚至1,800V。我們都知道 電壓= 電場x距離,所以在相同的電壓操作之下,SiC 及GaN可以減小十倍的操作距離,而距離是跟電阻成正比的。

換言之當元件在導通的時候,SiC 及GaN的導通電阻就小了很多,也就可以增加輸出電流,提升電力的轉換效率,這就是寬能隙半導體最吸引人之處!但為什麼過去SiC 及GaN在功率元件領域卻不及Si普遍?

先來說SiC吧!事實上SiC晶體甚至比Si還更早問世,大約是在1890年代,然經過了一百多年的發展卻進展有限,一定有其原因!Si與C兩個元素要合成為SiC晶體需攝氏2,600度的高溫,比生產Si單晶溫度高上1,000多度。

另Si的單晶可以用一個小小的晶種(seed)插入高純度Si融溶液體中,利用將晶種拉升及逐步降溫,Si的單晶會附著於晶種周邊而逐漸擴大。而所拉出的晶柱直徑可達45公分,長度可達一層樓高以上。但SiC的單晶的晶種需要的卻是一片高品質的晶圓,利用加熱昇華的方式,Si及C蒸氣附著於上端的SiC晶圓上,而逐步長出SiC的晶柱。由於上端SiC晶圓是黏著於一石墨加熱器上,因此晶柱不可能長得很厚,否則會掉下來,一般在5公分內,而晶柱的直徑目前是15公分。所以光是晶柱的大小SiC就矮Si一大截。再加上SiC比Si堅硬許多,後續晶圓的切磨拋既費時又費工。

以同樣6吋的晶圓而言,SiC的價格就大約是Si的五十倍。因此在SiC功率元件的成本結構中,基板(substrate)往往會近一半;若要建立起自主SiC的產業,一定要能夠掌握到單晶成長及切磨拋的技術。這就是國際大廠如Cree、Rohm、ST及昭和電工的共同策略;若是能更進一步擁有自己設計及製造長晶爐的能力,那就更如虎添翼了。個人曾經去拜訪過聖彼得堡工業大學Tairov教授,他是全球SiC單晶成長的奠基者,他的實驗室內充滿著各式古董級SiC長晶爐的設備,這些都是多少代努力所累積心血的結晶。

有了基板技術,之後的磊晶及元件製作就相對簡單了。SiC的製程與Si相似,因此可利用現有Si晶圓製作的生產線加以改裝,而其中最大的關鍵在於SiO2氧化層的成長。因為成長SiO2時只會耗掉Si,而多餘的C原子則會堆積於SiO2之下。若沒有有效地減少C原子的群聚,會使得通道下電子的移導率下降相當多。一般SiC MOSFET通道電子移導率,約為同文同種Si的二十分之一。所以SiC MOSFET雖可承受大電壓及大電流的操作,但是其切換速度卻快不起來;所幸在許多馬達驅動系統及電源系統,其所使用的切換頻率都在100 KHz內,SiC足擔重任矣。

GaN比SiC就更為複雜了,一來GaN沒有自己安身立命的基板,必須附著於外來的基板上,最常用到的外來基板就是藍寶石、SiC及Si。如將GaN磊晶成長在藍寶石基板上,就是一般藍光或白光LED的標準製程,若成長在SiC基板上就是5G基站PA微波功率放大器的作法,若是成長在Si基板上就成了我們今天所討論的功率元件了。

然而要將GaN磊晶成功地長在Si基板上絕非易事,因為兩者的晶格常數相差17%,而熱膨脹係數的差別更是大於50%。因此如何成長高品質的GaN磊晶層在Si基板上,並減小其介面應力,是最大的挑戰;若沒有適當的優化,整個基板在過程中是很容易破裂,目前最成熟技術是成長在六吋的Si基板上,而磊晶厚度也被限制在5微米以下。

解決了GaN磊晶的問題,接下來另一個難題就是元件的製作。GaN屬於三五族化合物半導體,Ga原子與N原子其電子親和力及所形成化學鍵的能力上有所差別,這也導致了GaN在與其他物質如氧化層的介面是非常不好控制,也就是會有很多介面或表面缺陷(traps)的存在。這些介面缺陷,非常容易讓元件耐壓不足而提早崩潰,同時也影響到元件的可靠度。GaN甚至於整個三五族半導體都很難在其表面,成長出一般品質的氧化層,這便是其與Si最大的差異,沒有好的氧化層使得在元件設計及製作上就相形見絀了。另外GaN在製程上的屬性與Si製程有很大的差異,若想將原先生產Si晶圓的生產線,同時也生產GaN元件,是得花不少功夫做大幅度的調整,但往往成效有限。GaN功率元件因為是橫向導通,因此有機會將前級的驅動電路整合進同一晶片上,這卻是SiC功率元件做不到的。

GaN在材料電特性上相較於SiC,有一最大的優勢就是其高的電子移導率,約是SiC的30-40倍。因為GaN的晶格結構中,存在著內部的壓電效應,也就是由內在的應力產生出可自由移動的電子,而且數量可觀。這些自由電子,由於不是由一般所習知的半導體工藝中,加入雜質所產生,因此速度可以特別快,有助於電力系統切換頻率的提升。所以GaN功率元件可以輕易地操作在3-5 MHz,這是Si以及SiC難望其項背之處。頻率的提升有助於在電力系統中,所使用電容及電感的容值及感值的降低,進而使得體積大幅地減小。這對於消費性產品有很大的誘因,尤其應用在手機及筆電的充電器上。

第三代半導體雖然擁有十倍於Si的耐電壓特性,但相較於成熟的Si功率元件製作,就如上述所討論的,SiC及GaN不論就晶體成長、磊晶、元件設計及製作上都有很大的挑戰,無形中增加了不少的成本,這也是當今第三代半導體尚未能普及化的原因。不過應用端的需求持續往大電壓及大電流前進是個必然的趨勢,Si有其先天上的極限,SiC 及GaN自然在功率元件上可以有扮演的角色,未來一大兩小三分天下態勢儼然形成。

最後從產業鏈的角度來看,SiC 及GaN在單晶、磊晶、元件設計、晶圓製作甚至應用端,彼此間存在著密不可分的唇齒關係,因此要做到完全垂直分工的產業鏈,是件艱鉅的挑戰。台灣Si及化合物半導體產業,在全球都有著舉足輕重的地位,因此不論由Si的基礎進入SiC功率元件,或是由化合物半導體的產業進入GaN功率元件,都是台灣可以在第三代半導體上所扮演的積極角色!

曾任中央大學電機系教授及系主任,後擔任工研院電子光電所副所長及所長,2013年起投身產業界,曾擔任漢民科技策略長、漢磊科技總經理及漢磊投資控股公司執行長。