第四代半导体：氧化镓

最近氧化镓半导体被讨论的热度是非常高，还有人称之为第四代半导体，有别于第一代的矽(Si)，第二代的砷化镓(GaAs)及磷化铟(InP)，第三代的碳化矽(SiC)及氮化镓 (GaN)，究其因除了本身具有宽能隙 (wide bandgap)的特性外，另外很重要的一点就是，氧化镓半导体在技术上，可以使用传统单晶成长的方式，制作出直径6英寸的晶柱(ingot)，这是在第三代半导体中所无法实现的，这对于未来不论就成本以及元件特性，都有着莫大的助益。

我个人并不十分认同用第几代来区分半导体，因为这有取代的意义，而很明显的，这里没有谁可以取代谁的空间，矽仍是最重要的半导体，所以充其量只能说是第几类的半导体罢了。这样的分类，主要是以半导体的能隙为依据，到了第三代的能隙，氮化镓为3.4 eV(电子伏特)、碳化矽为3.3 eV，远高于矽的1.1 eV。能隙越宽，半导体能够忍受的电场强度就越大，也就是元件能够在更高的电压下工作。而氧化镓的能隙达到了4.9 eV，这对于电源功率转换上是一大优势。然而单凭此宽能隙的特性，就能够无往不利了吗?

目前市面上有两家公司有能力提供4寸氧化镓的晶圆，分别是FLOSFIA以及Novel Crystal，这两家都是日本的新创公司，技术来源均来自于学校，分别是京都大学以及东京农工大学。FLOSFIA成立于2011主要投资者包括了DENSO、三菱重工以及安川电机；Novel Crystal创立于2015年，主要投资者是田村制作所(Tamura)。除了晶圆制作外，这两家公司也有磊晶成长的技术，使用的是hydrid VPE (HVPE)的方法。此法是利用氯化氢(HCl)气体与加热成液态的镓金属，反应形成的氯化镓气体，之后再与氧气反应形成氧化镓沉积在基板上。

氧化镓在晶圆以及磊晶的特性上均有不错的表现，另外在n-型半导体的掺杂，在不同浓度的杂质的需求上，也都可以符合元件制作的条件。然而要能制作出完整的功率元件，还需要p-型的掺杂以及氧化层作闸极的开关。氧化镓半导体p-型掺杂的活化能需要1 eV，是平常能接受数值的20倍以上，这几乎很难实现出可使用的p-型氧化镓半导体。p-型掺杂一直是宽能隙半导体的罩门，氮化镓如此，氧化镓更是困难。

另外氧化镓半导体已经是氧化物了，势必得找出能隙更宽的氧化物作为闸极材料来制作出功率晶体管；氧化铝(7 eV)变成了唯一的选择。高品质的氧化铝薄膜也是很难在元件制作过程中实现，尤其能隙越高的材料就越困难。最后既使氧化镓功率元件可以在实验室中制作出来，具有相当优质的崩溃电压，但是导通电阻却异常的高，这会影响了功率元件的电流密度、功率转换效率以及可靠度了。目前市面上有销售的氧化镓半导体元件，也只有萧特基二极管，因为该二极管是最简单的半导体元件，只要有n-型的掺杂以及金属，就完成了。

之前我们讨论过氮化镓第三代半导体，是最为梦幻的半导体了，因为氮化镓可制作出LED、半导体雷射、功率元件，甚至微波功率放大器等多种应用。然而造化弄人，氮化镓就是没有自己的基板，必须依托在别人的基板上生存，受到了很大的限制，这也是为什麽可以长出晶柱的氧化镓，一开始这麽受到关注的原因。然而科学家一直还没有放弃在这方面的努力，事实上有三项氮化镓基板技术还在进行中。

历史最久的方法是Ammonothermal(AT)，是由波兰科学院的科学家所发展出来。需要在1,000个大气压以上的腔体成长，而成长的速度是每天只有100µm，目前可以长出两寸的氮化镓晶圆。另一个方法就是前述的HVPE，由于该法成长的速度可达每小时100µm，因此科学家利用长磊晶的方法来成长氮化镓晶圆，市面上已有6寸HVPE氮化镓晶圆，主要用于蓝光雷射的制作。三菱化学是目前能够提供氮化镓基板的主要供应商之一，最近宣布要将技术由HVPE转换为AT。相信是在工艺上有所突破，毕竟AT是在热平衡状态下所成长的晶体，因此晶圆的品质也会较佳。

第三项受到瞩目的技术是由日本住友电机与Soitec合作开发氮化镓smart cut。Soitec是法国微电子研究院所衍生新创的公司，而此smart cut技术被广泛运用在SOI (Si on insulator)的基板制作。此法首先将氢离子以离子布植的方式注入氮化镓的基板，深度约数个微米；然后面朝下与表面覆盖了二氧化矽的硅片结合，此结合为凡得瓦尔力的键结，非常牢靠，但需要施以压力与温度。此时再加温让氢在氮化镓内产生原子级的发泡膨胀，此力量会使数微米厚的氮化镓剥离开原基板，而均匀覆盖在二氧化矽上。由于二氧化矽是相对软的材料，因此不会产生界面应力，就像在切伊比利火腿般，高品质的数微米厚氮化镓就牢牢地呈现在硅片上，而这数微米厚的氮化镓就足够做半导体元件了。

越宽能隙的半导体是能够提供越高的操作电压，但以氧化镓为例，更宽的能隙后续是会衍生出不少在元件制作上的挑战，尤其在导通电阻及可靠性的问题。有些是可以靠工程的方式解决，有些却是基本的物理及化学。因此我个人直觉的认为，氮化镓及碳化矽能隙在3 eV附近是个甜蜜点。至于氧化镓是否能成为众所瞩目的第四代半导体，且拭目以待。