半導體氧化鎵材料及其電力電子元件應用之研究開發(上)

 

刊登日期:2022/6/13
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顧鴻壽/ 台北海洋科技大學創新設計學院教授、中央研究院物理研究所短期訪問學者;林志杰 / 台北海洋科技大學創新設計學院助理
 
第一類半導體材料鍺及矽、第二類半導體材料砷化鎵及磷化銦、第三類半導體材料氮化鎵及碳化矽,甚至於未來的第四類半導體材料氧化鎵(β-Ga2O3)及氮化鋁,都是因應新系統的應用需求而開發出的高性能電子資通訊元件,乃至,在新性能需求下而開發的新型半導體材料。
 
因應節能減碳及高效率化的需求趨勢,寬能隙值的氧化鎵材料在新世代電力電子元件及無線通訊元件等領域的應用,已成為大家關注的主題之一。此外,對於第四類的半導體材料而言,大尺寸且高品質的單結晶基板的生產,已經可以採用價格便宜且製程簡單的熔融液成長法來製造,並在產業應用上具有很大的吸引力及發展力。本文將針對氧化鎵的研究背景、材料性質及元件特性進行簡單敘述,並對於日本在半導體氧化鎵電力電子元件的研究與開發進行相關性的介紹與說明。
 
前言
回顧過去70年,在半導體電晶體元件的發展過程中,半導體元件研發的基本方向是利用半導體材料所具有的物理特性「能隙」值的大小來調節而製作出所需的半導體元件。而從鍺、矽等元素半導體開始,朝向能隙值寬大的砷化鎵、磷化銦、氮化鎵、碳化矽等新型化合物半導體材料及應用研究發展;繼前述的半導體材料之後,需要更超寬大能隙值的新材料因應時代需求而開發出來,其中最具代表性的半導體材料即是氧化鎵(β-Ga2O3)。
 
國立研究開發法人情報通信研究機構(NICT)是日本一家非常著名的研究開發機構,關於電力電子元件的研究開發,在其原有的基礎研究能量下,也開始著手新型氧化物材料---半導體氧化鎵的相關應用研究,並於2011年成功地開發出可以實際操作其功能的氧化鎵電晶體元件。
 
氧化鎵的能隙值為4.5 eV,是半導體材料中最高的,因而形成其獨特之處。其能隙值比起以往代表寬大能隙值半導體材料的碳化矽、氮化鎵(3.3 eV ~ 3.4 eV)要高出1.0 eV左右。
 
日本的研究人員著手於開發以半導體氧化鎵材料所製作之電力電子元件,因其相較於砷化鎵、碳化矽、氮化鎵具有較寬大的能隙值物性,具有能達更高電功率轉換效率、低能量損失的可能性。氧化鎵具有非常寬大的能隙值及安定性高的結晶構造,期待能夠成為綠色節能電子所拓展的一種新型半導體材料。
 
在研究與開發的進展方面,氧化鎵電力電子元件已經建立許多基礎性技術研發,並為企業界提供技術性的技轉及後續公司商品化、實用化元件協助性開發。另一方面,關於氧化鎵應用於高效率電力電子元件正探索其實用化的可行性,而基本元件構造的製作及這些元件特性的研究分析也開始朝向實用化進展。
 
氧化鎵(β-Ga2O3)的材料性質
本節將探討氧化鎵材料的物理特性及氧化鎵單結晶塊狀熔融液長晶技術。
1. 氧化鎵材料的物理特性 
氧化鎵是化學元素週期表中第III族氧化物半導體的一種,具有各種不同形態的結晶相。目前已知的有六種結晶相被確認,分別是α、β、γ、δ、ε、κ。但在此之前,也有研究人員確認至少有五種不同形態的結晶相所存在的「同質異形(晶)體」或「多晶型體(Polymorphs)」;較常見的是α及β等兩種結晶相。其中最安定的結晶相是單斜晶的(Monoclinic)beta氧化鎵(β-Ga2O3),因而大部分的研究都集中於β-Ga2O3。alpha氧化鎵的結晶相是菱形晶,gamma氧化鎵的結晶相是缺陷的尖晶,delta氧化鎵(δ-Ga2O3)的結晶相是立方晶,epsilon氧化鎵(ε-Ga2O3)的結晶相是六角形晶,如圖一所示。 
 
圖一、氧化鎵不同形態的結晶相所存在的同質異形(晶)體
圖一、氧化鎵不同形態的結晶相所存在的同質異形(晶)體
 
再者,β結晶相以外的結晶相均是準安定結構,主要都是經過在異質材料基板上進行低溫磊晶成長,而可以得到的一些準安定結晶相。如上所述,氧化鎵的能隙值大小為4.5 eV,而較寬大於碳化矽、氮化鎵的3.3 ~ 3.4eV,由如此寬大的能隙值氧化物半導體材料,可以估計β-Ga2O3應用於元件耐壓性的物理性質是取決於其---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
表一、電力電子元件所用的主要半導體及氧化鎵物性之比較表
表一、電力電子元件所用的主要半導體及氧化鎵物性之比較表
 

 


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