高頻通訊用半導體基板材料發展現況

 

刊登日期:2018/9/5
  • 字級

正當5G為未來的生活描繪出充滿想像的願景時,各式毫米波相關產品與技術也如火如荼地發展。基地台作為通訊系統中的關鍵環結,佈建方式由傳統的大型基地台轉為小型與微型基地台,功率放大器則為基地台的核心元件。在5G的發展趨勢下引導出節能以及更高頻的操作條件,功率放大器所使用的半導體基板也隨之改變。

本文將從以下大綱,針對目前國際上應用在功率放大器之高頻元件所需化合物(砷化鎵、磷化銦、氮化鎵、碳化矽等)半導體基板材料的技術發展現況進行介紹,並說明未來市場上的導入機會與面臨之挑戰。
‧高頻通訊用半導體基板材料發展現況
‧砷化鎵
‧磷化銦
‧氮化鎵
‧碳化矽
‧結論

【內文精選】
高頻通訊用半導體基板材料發展現況
功率放大器是射頻發射電路中一個重要的元件,主要功能在於將訊號放大推出,通常設計在天線放射器的前端,也是整個射頻前端電路中最耗功耗的元件。傳統功率放大器主要使用矽基元件,矽基半導體元件在技術上具有天然氧化物作為絕緣層,材料上則因為矽晶圓材料豐富且技術成熟而有高度成本優勢,種種因素使得矽基元件一直以來都是主流並主導半導體市場。

然而,5G應用對於材料的高頻特性要求漸趨嚴苛,高頻應用需要高的載子移動率(Mobility),矽晶材料在特性上逐漸不敷所需,而化合物半導體(Compound Semiconductor)則具有更優越的性能(圖二),其在未來5G等新應用下出現新的商機。

砷化鎵
相較於矽晶,砷化鎵除了電子移動速度(8,500 cm2/V·S)更快(矽約1,400 cm2/V·S),且能隙(1.42 eV)高於矽晶(1.14 eV),因此元件對於熱的敏感度降低而有較佳的熱穩定性,同時元件具有低雜訊等優點,因此在數十GHz以上的功率放大器等通訊領域應用極具優勢。砷化鎵具有直接能隙(Direct Band Gap),對光具有良好的吸收與放射效果而適用做光電元件。然而,砷化鎵不像矽晶有天然的氧化物作為絕緣層,熱傳導係數僅有0.5 W/cm·K,遠不如矽晶的1.5 W/cm·K,因此高功率操作時散熱不佳而使性能降低。砷化鎵晶片的材料本質較脆而容易破裂,增加了製程操作上的難度,這些缺點也限制了砷化鎵的應用廣度。

砷化鎵晶體成長方法與傳統使用在矽晶的柴式拉晶法(Czochralski Process; CZ)非常類似,典型技術為LEC (Liquid Encapsulant Czochralski)法,如圖三(a)所示。該技術乃將高純度砷化鎵材料置放於氮化硼(BN)坩堝中,使用石墨發熱體進行加熱,當砷化鎵材料熔融後,將單晶砷化鎵晶種浸於熔液中,旋轉緩慢拉出,並且藉由固體-液體介面的控制,使成長為高品質晶體,同時控制晶體尺寸。

圖三、砷化鎵典型晶體成長方法(a) LEC法;(b) VGF法
圖三、砷化鎵典型晶體成長方法(a) LEC法;(b) VGF法

氮化鎵
隨著5G時代的來臨,基地台的佈建也隨之改變,小型與微型基地台(Small Cell與Femtocell)成為主流,其中的功率放大器等關鍵元件需同時符合高頻與高功率操作。無論砷化鎵或磷化銦,其高頻優勢均在於低電壓/低功率範圍進行操作,如手機與平板等用戶端的功率放大器為其主要應用場域,但是對於基地台等大功率以及節能訴求高的應用領域則不適用。此乃因為砷化鎵與磷化銦的崩潰電壓分別僅為0.4 MV/cm與0.5 MV/cm,而同樣為Ⅲ-Ⅴ族半導體的氮化鎵(GaN)則高達3.3 MV/cm,由圖四可知,低電壓操作時,氮化鎵的電子飄移速度雖然不如前兩者,但高電壓操作時氮化鎵具有更高於砷化鎵與磷化銦的電子飄移速度,因此,氮化鎵被視為同時符合高功率/低能耗/高頻需求的解決方案。

圖四、砷化鎵、磷化銦、氮化鎵在不同電場下的電子飄移速度
圖四、砷化鎵、磷化銦、氮化鎵在不同電場下的電子飄移速度

然而,氮化鎵與大部分化合物半導體材料所面臨的問題類似,即晶圓尺寸過小以及價格過高,主因為晶體成長技術未臻成熟。不同於砷化鎵與磷化銦使用LEC法及VGF等液態晶體成長,氮化鎵主要晶體成長技術為氣相反應的HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy)法,該技術乃是使用高純度金屬鎵作為原料,通入HCl與作為載氣的氫氣,在溫度大約在1,000~1,200˚C之間將鎵反應成為GaCl氣體,此中間生成物於晶體成長區再與通入的NH3氣體反應成為GaN晶體,如圖五(a)所示。國際上主要技術領導業者Sumitomo Electric、Mitsubishi Chemical、Hitachi Cable均為日系廠商…...以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:蕭達慶/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」381期,更多資料請見下方附檔。


分享