隨著減碳的環境訴求以及工業快速發展對於能源帶來的潛在缺口，功率元件不再只是用來作為電能轉換的零組件，能源轉換效率亦成為評斷其性能最關鍵的指標之一。傳統矽基元件在多年的發展下雖然占有絕大多數的市場，然而也逐漸面臨物理極限，在高頻、高溫、高電壓、高功率等特用領域，化合物半導體呈現出更優異的特性，也漸被元件製造商列為基板的選擇。
本文將從以下大綱，介紹目前國際上應用在功率元件的化合物半導體基板材料技術發展現況，並說明未來市場上的導入機會與面臨之挑戰。
‧碳化矽晶體
‧氮化鎵晶體
‧氧化鎵晶體
‧氮化鋁晶體
‧結論
【內文精選】
功率元件(Power Device)乃是電能傳輸與轉換的重要零組件，應用領域非常廣泛，由小功率的消費型電子產品，乃至大功率的交通運輸、綠色能源、工業馬達等，均可看到它的身影。現今功率元件多以矽晶為基板進行製造，主要元件包括雙極性電晶體(BJT)、金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)、絕緣柵雙極電晶體(IGBT)等。矽晶功率元件在過去數十年的發展下幾乎使其性能達到極致，並且逐漸達到物理極限。替代矽材的化合物半導體在功率元件的應用開始受到市場關注，並且滲透部分市場，尤其寬能隙半導體(Wide Bandgap Semiconductor; WBG)材料的性能表現備受期待。
在高電壓功率元件應用上，矽晶元件往往因為導通電阻過大而造成電能大量損耗。雖然如摻雜載子等方法可降低導通電阻，但是容易在開關時產生切換延遲，導致開關損失(Switching Loss)增加。由圖一可知，碳化矽與氮化鎵等寬能隙半導體，除了因為具有高崩潰電壓使其具有高電壓的使用特性優勢，另外，在高電壓操作時，其導通電阻遠小於矽晶材料，導通損失與切換損失的降低能大幅提升功率元件的能源轉換效率。因此，高電壓與高功率為寬能隙半導體材料的主要應用領域與市場。
碳化矽晶體
在功率元件的發展上以碳化矽(Sic)最具代表性。其除了具備寬能隙(4H-SiC = 3.2 eV)、高崩潰電壓(2.2 MV/cm)、高導熱係數(490 W/m·K)等優異的物理特性，材料端的要點為其晶體品質具有顯著提升，包括缺陷的降低、電性的控制與穩定性、晶體尺寸等，國際諸多業者投入則使得價格有效降低，晶圓也逐漸能夠為市場所接受。碳化矽晶體成長技術主要可分為三種，分別為物理氣相傳輸法(PVT)、高溫化學氣相沉積法(HTCVD)及溶液長晶法(Solution Growth)，各技術示意如圖二。PVT法為目前主流技術，全球超過90%碳化矽晶圓以此方法製作，代表性業者均為國際碳化矽晶圓主要供應商，包括CREE、II-VI、Dow Corning、SiCrystal (ROHM)及Nippon Steel (Showa Denko)等。
圖二、碳化矽晶體成長技術(a)PVT法；(b)HTCVD法；(c)Solution Growth法
氧化鎵晶體
近年除了碳化矽與氮化鎵受到高度關注，另一頗受看好的寬能隙半導體材料為氧化鎵(Ga2O3)，表一為各種寬能隙半導體材料與矽晶之基本特性比較。由表中可知，相對於碳化矽與氮化鎵，β Polytype氧化鎵具有更高的能隙（達4.5 eV），使其崩潰電壓高達6.5 MV/cm，為非常優異的高電壓/高功率元件基板材料。此外，在光學應用上，因其寬能隙特性，高功率/高亮度LED以及深紫外光(Ultraviolet) LED均為氧化鎵相當看好的應用領域。
氧化鎵材料本身先天的優勢為該材料與矽晶及藍寶石相同，均有穩定的液態相，常壓下熔點僅約1,800˚C，此特性使其可使用液相晶體成長法，而無需使用氣相晶體成長方式，這可使晶體成長速度大幅增加。氧化鎵之晶體成長速度可達數mm/h、甚至數十mm/h，晶體成長設備亦可避免於高壓操作，對於成本控制以及量產產量的控制相對具有競爭力。典型晶體成長方式包括FZ (Floating Zone Process)法、CZ法及EFG (Edge-defined Film-fed Growth)法等，目前以EFG法在商業化較為快速。
氧化鎵雖然具有高能隙與崩潰電壓，使其在功率元件與特用LED等應用具有優勢，然而，由表一可知，其電子移動率(Electron Mobility)與飽和電子飄移速度(Saturation Drift Velocity)均明顯不如碳化矽與氮化鎵。因此，在高頻元件以及需要高速切換的功率元件表現上相對劣勢。如圖五所示，其主要應用市場定位在1 kW以上的高功率應用...…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖五、半導體材料在不同功率與頻率之市場定位
作者：蕭達慶／工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」380期，更多資料請見下方附檔。