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第三代半导体的展望与迷思

  • 詹益仁

近年来第三代半导体SiC 及GaN,也就是所谓的宽能隙(wide bandgap)半导体,一直受到业界及大众媒体的瞩目。

近年来第三代半导体SiC 及GaN,也就是所谓的宽能隙(wide bandgap)半导体,一直受到业界及大众媒体的瞩目,其最大的应用在于功率半导体元件。功率半导体在半导体的产业,过去一直是扮演配角的角色,然而由于节能减碳的要求,各项新兴节能产业如电动车、太阳能发电、直流电网、充电桩等,都需要高转换效率的功率半导体。

此外在高效能IC运算,如服务器、AI/GPU加速卡等系统,所使用的电压越来越低,所需的电流却越来越大,在在都强化了第三代半导体在半导体领域的能见度。但是SiC 及GaN 就足以超越过去Si功率元件所无法达到的特性了吗?

功率半导体有两个最重要的物理参数,一个是电子的移导率也就是速度/电流,另一个就是能隙(bandgap)了,能隙决定了半导体的崩溃电场,也就是能承受住多大的电压。SiC 及GaN之所以被称为宽能隙半导体,是因为其能隙是Si的三倍余,而崩溃电场是能隙的平方项,也就是为Si近十倍之多。

功率半导体元件在电力系统是当作开关来使用,所以在导通时需要有低的阻抗及大的电流;而在切断时元件需要承受住大的电压。尤其在大功率的电力系统,系统会尽量提高电压而刻意维持较小的电流,以提升其电能转换的效率,也就是会从600V的操作,提高到1,200V甚至1,800V。我们都知道 电压= 电场x距离,所以在相同的电压操作之下,SiC 及GaN可以减小十倍的操作距离,而距离是跟电阻成正比的。

换言之当元件在导通的时候,SiC 及GaN的导通电阻就小了很多,也就可以增加输出电流,提升电力的转换效率,这就是宽能隙半导体最吸引人之处!但为什么过去SiC 及GaN在功率元件领域却不及Si普遍?

先来说SiC吧!事实上SiC晶体甚至比Si还更早问世,大约是在1890年代,然经过了一百多年的发展却进展有限,一定有其原因!Si与C两个元素要合成为SiC晶体需摄氏2,600度的高温,比生产Si单晶温度高上1,000多度。

另Si的单晶可以用一个小小的晶种(seed)插入高纯度Si融溶液体中,利用将晶种拉升及逐步降温,Si的单晶会附著于晶种周边而逐渐扩大。而所拉出的晶柱直径可达45公分,长度可达一层楼高以上。但SiC的单晶的晶种需要的却是一片高质量的晶圆,利用加热升华的方式,Si及C蒸气附著于上端的SiC晶圆上,而逐步长出SiC的晶柱。由于上端SiC晶圆是黏著于一石墨加热器上,因此晶柱不可能长得很厚,否则会掉下来,一般在5公分内,而晶柱的直径目前是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坚硬许多,后续晶圆的切磨抛既费时又费工。

以同样6寸的晶圆而言,SiC的价格就大约是Si的五十倍。因此在SiC功率元件的成本结构中,基板(substrate)往往会近一半;若要建立起自主SiC的产业,一定要能够掌握到单晶成长及切磨抛的技术。这就是国际大厂如Cree、Rohm、ST及昭和电工的共同策略;若是能更进一步拥有自己设计及制造长晶炉的能力,那就更如虎添翼了。个人曾经去拜访过圣彼得堡工业大学Tairov教授,他是全球SiC单晶成长的奠基者,他的实验室内充满著各式古董级SiC长晶炉的设备,这些都是多少代努力所累积心血的结晶。

有了基板技术,之后的磊晶及元件制作就相对简单了。SiC的制程与Si相似,因此可利用现有Si晶圆制作的生产线加以改装,而其中最大的关键在于SiO2氧化层的成长。因为成长SiO2时只会耗掉Si,而多余的C原子则会堆积于SiO2之下。若没有有效地减少C原子的群聚,会使得通道下电子的移导率下降相当多。一般SiC MOSFET通道电子移导率,约为同文同种Si的二十分之一。所以SiC MOSFET虽可承受大电压及大电流的操作,但是其切换速度却快不起来;所幸在许多马达驱动系统及电源系统,其所使用的切换频率都在100 KHz内,SiC足担重任矣。

GaN比SiC就更为复杂了,一来GaN没有自己安身立命的基板,必须附著于外来的基板上,最常用到的外来基板就是蓝宝石、SiC及Si。如将GaN磊晶成长在蓝宝石基板上,就是一般蓝光或白光LED的标准制程,若成长在SiC基板上就是5G基站PA微波功率放大器的作法,若是成长在Si基板上就成了我们今天所讨论的功率元件了。

然而要将GaN磊晶成功地长在Si基板上绝非易事,因为两者的晶格常数相差17%,而热膨胀系数的差别更是大于50%。因此如何成长高质量的GaN磊晶层在Si基板上,并减小其接口应力,是最大的挑战;若没有适当的优化,整个基板在过程中是很容易破裂,目前最成熟技术是成长在六寸的Si基板上,而磊晶厚度也被限制在5微米以下。

解决了GaN磊晶的问题,接下来另一个难题就是元件的制作。GaN属于三五族化合物半导体,Ga原子与N原子其电子亲和力及所形成化学键的能力上有所差别,这也导致了GaN在与其它物质如氧化层的接口是非常不好控制,也就是会有很多接口或表面缺陷(traps)的存在。这些接口缺陷,非常容易让元件耐压不足而提早崩溃,同时也影响到元件的可靠度。GaN甚至于整个三五族半导体都很难在其表面,成长出一般质量的氧化层,这便是其与Si最大的差异,没有好的氧化层使得在元件设计及制作上就相形见绌了。另外GaN在制程上的属性与Si制程有很大的差异,若想将原先生产Si晶圆的生产线,同时也生产GaN元件,是得花不少功夫做大幅度的调整,但往往成效有限。GaN功率元件因为是横向导通,因此有机会将前级的驱动电路集成进同一芯片上,这却是SiC功率元件做不到的。

GaN在材料电特性上相较于SiC,有一最大的优势就是其高的电子移导率,约是SiC的30-40倍。因为GaN的晶格结构中,存在著内部的压电效应,也就是由内在的应力产生出可自由移动的电子,而且数量可观。这些自由电子,由于不是由一般所习知的半导体工艺中,加入杂质所产生,因此速度可以特别快,有助于电力系统切换频率的提升。所以GaN功率元件可以轻易地操作在3-5 MHz,这是Si以及SiC难望其项背之处。频率的提升有助于在电力系统中,所使用电容及电感的容值及感值的降低,进而使得体积大幅地减小。这对于消费性产品有很大的诱因,尤其应用在手机及笔记本的充电器上。

第三代半导体虽然拥有十倍于Si的耐电压特性,但相较于成熟的Si功率元件制作,就如上述所讨论的,SiC及GaN不论就晶体成长、磊晶、元件设计及制作上都有很大的挑战,无形中增加了不少的成本,这也是当今第三代半导体尚未能普及化的原因。不过应用端的需求持续往大电压及大电流前进是个必然的趋势,Si有其先天上的极限,SiC 及GaN自然在功率元件上可以有扮演的角色,未来一大两小三分天下态势俨然形成。

最后从产业链的角度来看,SiC 及GaN在单晶、磊晶、元件设计、晶圆制作甚至应用端,彼此间存在著密不可分的唇齿关系,因此要做到完全垂直分工的产业链,是件艰钜的挑战。台湾Si及化合物半导体产业,在全球都有著举足轻重的地位,因此不论由Si的基础进入SiC功率元件,或是由化合物半导体的产业进入GaN功率元件,都是台湾可以在第三代半导体上所扮演的积极角色!

曾任中央大学电机系教授及系主任,后担任工研院电子光电所副所长及所长,2013年起投身产业界,曾担任汉民科技策略长、汉磊科技总经理及汉磊投资控股公司执行长。