第四代半导体为何值得期待？

半导体行业观察前天

来源：内容来自「科技新报（台）」，作者：洪瑞华，谢谢。

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随着以SiC与GaN为主的第三代半导体应用逐渐落地，被视为第四代之超宽禁带氧化镓（Ga2O3）和钻石等新一代材料，成为下一波瞩目焦点，特别是Ga2O3在超高功率元件应用有着不容小觑的潜力，而其优势与产业前景又究竟为何？

Ga2O3技术原理与优势

虽然以Si基板为主的组件已主导现今科技产业之IC与相关之电子元件，然而此类产品仍面临许多极限，无论在高功率或是高频元件与系统，除不断精进结构设计外，新兴材料亦推陈出新。特别是第三代半导体以SiC与GaN为主之高功率元件与系统，在大电力与高频元件上被赋予重任，更已陆续应用在相关之产业。

尽管如此，被视为第四代之超宽禁带氧化镓（Ga2O3）和钻石等新一代材料，特别是Ga2O3因其基板制作相较于SiC与GaN更容易，又因为其超宽禁带的特性，使材料所能承受更高电压的崩溃电压和临界电场，使其在超高功率元件之应用极具潜力。

上图（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崩溃电场。可发现Ga2O3应用之功率范围高达1kW-10kW

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的超宽禁带与临界电场（Ebr）高达8MV/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）宽禁带半导体的系数中Ga2O3高达3444，是SiC的十倍、GaN的四倍，此一系数关系着元件所能承受之最高电压，由此BFOM系数也可以看到Ga2O3在高功率元件之应用潜力。（相关之材料特性比较如表（一）所示。）

表（一）相关之材料特性比较

在高功率元件之应用，除其崩溃电场需够高外，在导通电阻方面也是重要参数之一。如图（二）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。

图（二）宽禁带材料其崩溃电场与导通电阻之关系图

车用、光电都看好，应用广泛且前景可期

Ga2O3具备许多优良的特性，使其可以应用在许多方面，特别是其宽禁带特性能在功率元件上有显著的应用，诸如电动车、电力系统、风力发电机的涡轮等都是其应用范围。而Ga2O3的薄膜透明，不仅在光电元件方面可作为透明面板上的组件，光感与气体传感器领域也都可以是其应用范围。

也因此Ga2O3产业前景方面应用广泛，且潜力极大仍有许多组件等待被开发与商业化，可说是很具前瞻性的材料之一！

Ga2O3传感器应用现况与未来

Ga2O3应用现况与未来

我们离Ga2O3落地还有多远？

Ga2O3未来潜力值得期待，不过现阶段仍有许多问题有待克服。

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，散热问题严重的话会造成在组件操作方面接口的热崩溃，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。

而P-type掺杂则更为棘手，目前尚未有足够的电洞迁移率文献被发表提出，现有资料主要归纳出以下三个原因：首先因为Ga2O3在氧的共价键方面为2p轨域，拥有非常强的键结电子不容易被抢走，造成深受子态（deep acceptor state）。第二，Ga2O3中的电洞有效质量（effective mass）太高，造成平坦价带（flat valence band）边缘倾向于氧。最后，因为自由电洞的容易被自我捕捉（self-trapped）于晶格扭曲（latticedistortion）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）、edgedefined film（EFG）、与 Czochralskimethods（CZ），这些方法在制作蓝宝石基板已经使用多年，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。

在现今商业生产上主要应用EFG长晶法（如下图所示），此方法能生产大量且高纯度的Ga2O3晶圆，在N2/O2下融化高纯度（5N）的Ga2O3 Powder在Ir的坩锅中，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。

EFG长晶法成长Ga2O3晶棒之示意图

综观上述，Ga2O3属于新开发之材料，潜力极佳与产业应用前景可期。

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