金屬氧化物半導體的材料特性與Ga2O3的研發近況

刊登日期:2017/5/5
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金屬氧化物的多樣性
金屬氧化物(Metal Oxide)(以下簡稱氧化物)在性質與結構方面都具有多樣性。在結構方面,氧化物往往具有多種晶體結構,稱為多態性(Polymorphism),也就是晶體結構會隨著溫度或壓力等環境條件而改變。多態性又可舉出兩類的例子:①同一氧化物的多態性:In2O3在常溫、常壓時的穩定相是c-In2O3,屬於立方晶系;相對於穩定相的就是介穩相(Metastable Phase),只在特定的溫度及/或壓力條件下存在。In2O3的介穩相是α態,只在高壓環境下穩定,屬於六方晶系,如圖一所示。②同一族元素氧化物的多態性:鋁、鎵、銦的氧化物在常溫常壓下的穩定相分別是α-Al2O3(六方晶系)、β-Ga2O3(單斜晶系)及c-In2O3(立方晶系),如圖二所示。但是在適當的條件下,Ga2O3和In2O3也可以形成α態的介穩相。

圖一、(a)c-In2O3;(b)α-In2O3為In2O3的兩種晶體結構
圖一、(a)c-In2O3;(b)α-In2O3為In2O3的兩種晶體結構

Ga2O3半導體
半導體元件需要的是足夠而且可控制(能跨越幾個數量級)的載子濃度,過高的載子濃度反而不適用,因此傳統的透明導電膜材料(如氧化銦錫(ITO))並不容易當成半導體材料來使用。以下簡單介紹極具應用潛力的Ga2O3氧化物半導體。
2. β-Ga2O3的晶體結構與基本性質
β-Ga2O3的晶體結構是單斜晶系,如圖四所示,其中Ga的位置可分為四面體配位的Ga(I)和八面體配位的Ga(II)。β-Ga2O3的直接能隙是4.87 eV,間接能隙是4.85 eV,有效電子質量相當小(0.27~0.28 me)而且是等向性的。UV區的吸收邊緣為255~260 nm,比ITO之類的透明導電材料更偏向短波長。

4. Ga2O3的應用與元件實作例
(1) 觸媒
當Ga2O3結構表面的Ga3+正離子配位不飽和時,則具有催化性,例如促進CO的氧化和NOx的選擇性還原等。不同結構的Ga2O3催化效果比較如表二所示,其中β-Ga2O3的表面酸性部位(Acid Site)密度最高,因此催化性最佳。
(5) III族-氮化物磊晶用基板
III族-氮化物磊晶用基板材料的性質比較如表三所示,可以看出β-Ga2O3的應用潛力。然而,β-Ga2O3的熱傳導比其他材料差,是應用上需要解決的問題,尤其對於高功率元件。β-Ga2O3單晶基板的製作可以用浮帶成長法、柴氏(Czochralski)法和限邊饋膜生長法(Edge Defined Film Fed Growth; EFG)。浮帶成長法不需要坩堝、可以長出高品質的晶體,但尺寸較小。柴氏法是歷史悠久的習知技術,在2014年已經可以長出直徑50 mm、長度75 mm的β-Ga2O3單晶棒。EFG法除了可以製作圓形(直徑到50 mm)的單晶棒之外,也能製作多種形狀(例如方形)的單晶基板,節省事後加工的費用。

表三、III族-氮化物磊晶用基板材料的性質比較
表三、III族-氮化物磊晶用基板材料的性質比較

(9) 全Corundum結構α-Ga2O3功率MOSFET
在基板上沉積不同材料的薄膜時,如果能長出和基板晶體結構相同的薄膜,雖然薄膜和基板的介面上有晶格常數的差異,但也打開了能隙設計(Band Gap Engineering)及功能設計(Function Engineering)的大門,可開發具有新功能的元件。利用Mist CVD之類的低能量成膜技術,可以在Corundum結構的基板上成長Corundum結構的薄膜。

Corundum結構的氧化物中,α-Ir2O3和α-Rh2O3都可做出p型材料,其中α-Ir2O3與α-Ga2O3的晶格常數只有0.3%的差異,如圖八所示。京都大學與FLOSFIA公司合作,利用Mist CVD成功做出p型α-Ir2O3薄膜,與α-Ga2O3組成了功率MOSFET,其中…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:楊明輝 / 旭德科技股份有限公司
★本文節錄自「工業材料雜誌」365期,更多資料請見下方附檔。


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