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第四代半導體:氧化鎵

氧化鎵的能隙達到了4.9 eV,這對於電源功率轉換上是一大優勢。(示意圖)法新社

最近氧化鎵半導體被討論的熱度是非常高,還有人稱之為第四代半導體,有別於第一代的矽(Si),第二代的砷化鎵(GaAs)及磷化銦(InP),第三代的碳化矽(SiC)及氮化鎵 (GaN),究其因除了本身具有寬能隙 (wide bandgap)的特性外,另外很重要的一點就是,氧化鎵半導體在技術上,可以使用傳統單晶成長的方式,製作出直徑6英吋的晶柱(ingot),這是在第三代半導體中所無法實現的,這對於未來不論就成本以及元件特性,都有著莫大的助益。

我個人並不十分認同用第幾代來區分半導體,因為這有取代的意義,而很明顯的,這裡沒有誰可以取代誰的空間,矽仍是最重要的半導體,所以充其量只能說是第幾類的半導體罷了。這樣的分類,主要是以半導體的能隙為依據,到了第三代的能隙,氮化鎵為3.4 eV(電子伏特)、碳化矽為3.3 eV,遠高於矽的1.1 eV。能隙越寬,半導體能夠忍受的電場強度就越大,也就是元件能夠在更高的電壓下工作。而氧化鎵的能隙達到了4.9 eV,這對於電源功率轉換上是一大優勢。然而單憑此寬能隙的特性,就能夠無往不利了嗎?

目前市面上有兩家公司有能力提供4吋氧化鎵的晶圓,分別是FLOSFIA以及Novel Crystal,這兩家都是日本的新創公司,技術來源均來自於學校,分別是京都大學以及東京農工大學。FLOSFIA成立於2011主要投資者包括了DENSO、三菱重工以及安川電機;Novel Crystal創立於2015年,主要投資者是田村製作所(Tamura)。除了晶圓製作外,這兩家公司也有磊晶成長的技術,使用的是hydrid VPE (HVPE)的方法。此法是利用氯化氫(HCl)氣體與加熱成液態的鎵金屬,反應形成的氯化鎵氣體,之後再與氧氣反應形成氧化鎵沉積在基板上。

氧化鎵在晶圓以及磊晶的特性上均有不錯的表現,另外在n-型半導體的摻雜,在不同濃度的雜質的需求上,也都可以符合元件製作的條件。然而要能製作出完整的功率元件,還需要p-型的摻雜以及氧化層作閘極的開關。氧化鎵半導體p-型摻雜的活化能需要1 eV,是平常能接受數值的20倍以上,這幾乎很難實現出可使用的p-型氧化鎵半導體。p-型摻雜一直是寬能隙半導體的罩門,氮化鎵如此,氧化鎵更是困難。

另外氧化鎵半導體已經是氧化物了,勢必得找出能隙更寬的氧化物作為閘極材料來製作出功率電晶體;氧化鋁(7 eV)變成了唯一的選擇。高品質的氧化鋁薄膜也是很難在元件製作過程中實現,尤其能隙越高的材料就越困難。最後既使氧化鎵功率元件可以在實驗室中製作出來,具有相當優質的崩潰電壓,但是導通電阻卻異常的高,這會影響了功率元件的電流密度、功率轉換效率以及可靠度了。目前市面上有銷售的氧化鎵半導體元件,也只有蕭特基二極體,因為該二極體是最簡單的半導體元件,只要有n-型的摻雜以及金屬,就完成了。

之前我們討論過氮化鎵第三代半導體,是最為夢幻的半導體了,因為氮化鎵可製作出LED、半導體雷射、功率元件,甚至微波功率放大器等多種應用。然而造化弄人,氮化鎵就是沒有自己的基板,必須依託在別人的基板上生存,受到了很大的限制,這也是為什麼可以長出晶柱的氧化鎵,一開始這麼受到關注的原因。然而科學家一直還沒有放棄在這方面的努力,事實上有三項氮化鎵基板技術還在進行中。

歷史最久的方法是Ammonothermal(AT),是由波蘭科學院的科學家所發展出來。需要在1,000個大氣壓以上的腔體成長,而成長的速度是每天只有100µm,目前可以長出兩吋的氮化鎵晶圓。另一個方法就是前述的HVPE,由於該法成長的速度可達每小時100µm,因此科學家利用長磊晶的方法來成長氮化鎵晶圓,市面上已有6吋HVPE氮化鎵晶圓,主要用於藍光雷射的製作。三菱化學是目前能夠提供氮化鎵基板的主要供應商之一,最近宣布要將技術由HVPE轉換為AT。相信是在工藝上有所突破,畢竟AT是在熱平衡狀態下所成長的晶體,因此晶圓的品質也會較佳。

第三項受到矚目的技術是由日本住友電機與Soitec合作開發氮化鎵smart cut。Soitec是法國微電子研究院所衍生新創的公司,而此smart cut技術被廣泛運用在SOI (Si on insulator)的基板製作。此法首先將氫離子以離子佈植的方式注入氮化鎵的基板,深度約數個微米;然後面朝下與表面覆蓋了二氧化矽的矽晶圓結合,此結合為凡得瓦爾力的鍵結,非常牢靠,但需要施以壓力與溫度。此時再加溫讓氫在氮化鎵內產生原子級的發泡膨脹,此力量會使數微米厚的氮化鎵剝離開原基板,而均勻覆蓋在二氧化矽上。由於二氧化矽是相對軟的材料,因此不會產生介面應力,就像在切伊比利火腿般,高品質的數微米厚氮化鎵就牢牢地呈現在矽晶圓上,而這數微米厚的氮化鎵就足夠做半導體元件了。

越寬能隙的半導體是能夠提供越高的操作電壓,但以氧化鎵為例,更寬的能隙後續是會衍生出不少在元件製作上的挑戰,尤其在導通電阻及可靠性的問題。有些是可以靠工程的方式解決,有些卻是基本的物理及化學。因此我個人直覺的認為,氮化鎵及碳化矽能隙在3 eV附近是個甜蜜點。至於氧化鎵是否能成為眾所矚目的第四代半導體,且拭目以待。

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。