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宽能隙半导体的发展近况

  • 林育中

SiC的特性是带隙比传统半导体材料矽要宽的多,能耐高电压、高电流。图为SiC芯片。SemiElectronics

GaN(氮化镓)与SiC(碳化硅)这两种宽能隙(wide band gap)半导体在大陆被称之为第三代半导体,这是相对于第一代Si、第二代化合物半导体如GaAs(砷化镓)而言的,它们的共同特性是带隙比传统半导体材料矽要宽的多。

电子线路的核心价值在可操控,在以电子为信息载子的技术范畴中操控的是导电与否,这能力是由材料的传导性质所决定。半导体之所以珍贵是因为它在施加电压时导电、不施加电压时绝缘,为此半导体的发现得了一个物理诺贝尔奖。这主要的机制是靠材料的能带结构。一般固态物质有共价带与导电带,二者重合的就是导体,二者远远分离的是绝缘体;而二者有点近、又不很近的-可由外加电场操控导电与否-就是半导体,矽的带隙宽约是1.17 eV。

然而除了导电与否外,电子元件还有许多表现会依赖于材料的特性,譬如耐高电压、耐高电流、散热效率、操作频率等,这些性质部份也依赖于带隙宽。带隙越宽的材料越能耐高电压、高电流。在新能源的应用,耐高压、耐高电流、高能源转换效率变成主要诉求,宽能隙材料因此成为宠儿。SiC的带隙宽为3.26 eV,GaN的为3.5eV,而又各有特色,因此成为功率或射频元件的新材料。

GaN除了宽能隙外,电子流动性(electron mobility)也高,因而所制成的晶体管也能高频率的操作,在射频的应用也有用武之地。

目前GaN在半导体产业的应用除了已经成熟的LED外,主要有两个方向:微波射频与电力电子。以其衬底(substrate)分类,电力电子多是GaN-on-Si,而微波射频多是GaN-on-SiC。

电力电子的技术发展趋势是优化大尺寸磊晶技术,其主要应用是快充,因为GaN元件有高频率、小体积的优势。但是对于稍高能量密度的应用,GaN-on-Si目前出现可靠性的顾虑。当曝露在高能量密度的应用环境下,异质结构接口会产生自退火(self-annealing)的现象,因此引发可靠性的问题。这个问题有待解决,目前只能将其应用限于较低功率市场。

微波射频是将兴的5G应用大热门,目前的GaN元件是600V高电子流动率晶体管(High Electron Mobility Transistor;HEMT),已于2014年后成GaN元件主流产品。它的功耗佳,带宽高,在4GHz以上可以输出比传统GaAs高的频率。尤其5G中的massive MIMO(Multiple-In Multiple-Out)规格需要数量大的阵列天线,使用元件需要小尺寸、高效率、高功率密度的特性,而这正是GaN可以提供的。

至于制程方面,Ga与SiC之间长有一Al成核层(nucleation layer),这样多层的异质结构接口照例是个问题。但这在Ga-on-SiC上已有比较好的解决方案。前几天媒体报导瑞典SweGaN AB公司的陈志泰以及他所属团队以MOCVD的方法磊晶,让缺陷密度降低2~3个阶秩,从而让整个夹层厚度降低为1/20。这个制程可以让GaN的特性充份发挥,达到近乎理论预期的结果。这个制程也许也可以用来改善GaN-on-Si的界面问题,虽然材料和问题很不一样。

SiC目前的晶圆尺寸为6寸、GaN为2、3寸,也有4寸的。SiC预计在2、3年后向8寸迈进。是这些超越摩尔定律(more than Moore)的经济增值新方向让机器原厂厂商翻新机(refurbished equipment)的生意做不完!

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任咨询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在于台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。