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能隙氧化镓（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？（本文出自国立阳明交通大学电子研究所的洪瑞华特聘教授，于闳康科技“科技新航道 | 合作专栏”介绍“第四代半导体 Ga2O3 技术原理、优势与产业前景”文稿，经科技新报修编。）
Ga2O3 技术原理与优势
虽然以 Si 基板为主的元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能隙氧化镓（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，又因为其超宽能隙的特性，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 1 kW-10 kW。
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 的超宽能隙与临界电场（Ebr）高达 8 MV/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）宽能隙半导体的系数中 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）宽能隙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，特别是其宽能隙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元件，光感与气体感测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元件等待被开发与商业化，可说是很具前瞻性的材料之一！
▲ Ga2O3 感测器应用现况与未来。
▲ 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元件操作方面界面的热崩溃，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（lattice distortion）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。
长晶部分，主要有 floating zone（FZ）、edge defined film（EFG）、与 Czochralski methods（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。而现阶段仍须克服的问题，无论是在同质磊晶成长（homojunction epitaxy）或异质磊晶成长（heterojunction epitaxy），此类材料在晶相鉴定、表面形貌或平整度，甚至成分鉴定，掺杂浓度之量测，闳康科技皆可提供相关之检测服务，分析技术介绍可参考：
- 晶相鉴定：高解析 X 光绕射分析仪（HRXRD）、电子背像散射绕射（EBSD）
- 表面形貌或平整度：原子力显微镜（AFM）、薄膜厚度轮廓测量仪（α-step）、白光干涉仪（OP）
- 结构及成分鉴定：扫描电子显微镜及X光能谱散布分析（SEM／EDS）、穿透式电子显微镜及 X 光能谱散布分析（TEM／EDS）
- 掺杂浓度的分析技术介绍请参考：二次离子质谱仪（SIMS）
参考资料：
1. M. Higashiwaki, K. Sasaki, A. Kuramata, T. Masui, and S. Yamakoshi, “Development of gallium oxide power devices,” Phys. Status Solidi A 211, 21–26 (2014). 2. M. Higashiwaki, K. Sasaki, A. Kuramata, T. Masui, and S. Yamakosh. “Gallium oxide (Ga2O3) metal-semiconductor field-effect transistors on single-crystal b-Ga2O3 (010) substrates”, Appl. Phys. Lett, 100, 013504 (2012) 3. A. Kuramata, K. Koshia, S. Watanabe, Y. Yamaoka, T. Masui, and S. Yamakoshia, “Bulk Crystal Growth of Ga2O3”, Proc. SPIE 10533, Oxide-based Materials and Devices IX, 105330E (2018). 4. S. J. Pearton, F. Ren, M. Tadjer, and J. Kim. “Perspective: Ga2O3 for ultra-high power rectifiers and MOSFETS”, J. Appl. Phys. 124, 220901 (2018). 5. A. Afzal, “-Ga2O3 nanowires and thin films for metal oxide semiconductor gas sensors: Sensing mechanisms and performance enhancement strategies”, J. Materiomics, 5, 542 (2019).
（首图来源：Shutterstock）
