第三代半导体的展望与迷思

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！但为什麽过去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的单晶会附着于晶种周边而逐渐扩大。而所拉出的晶柱直径可达45厘米，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品质的晶圆，利用加热昇华的方式，Si及C蒸气附着于上端的SiC晶圆上，而逐步长出SiC的晶柱。由于上端SiC晶圆是黏着于一石墨加热器上，因此晶柱不可能长得很厚，否则会掉下来，一般在5厘米内，而晶柱的直径目前是15厘米。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，他的实验室内充满着各式古董级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，必须附着于外来的基板上，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%。因此如何成长高品质的GaN磊晶层在Si基板上，并减小其界面应力，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在与其他物质如氧化层的界面是非常不好控制，也就是会有很多界面或表面缺陷(traps)的存在。这些界面缺陷，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，成长出一般品质的氧化层，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整合进同一芯片上，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，存在着内部的压电效应，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电脑的充电器上。

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，彼此间存在着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，在全球都有着举足轻重的地位，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！