功率模組用晶體材料技術：材料世界網

蕭達慶 / 工研院材化所

化合物半導體近年快速發展，除了因其優越的材料特性之外，市場驅動力扮演更加重要的角色。功率模組在能源需求日增以及淨零減碳的浪潮下，化合物半導體也開始逐漸滲透市場，碳化矽與氮化鎵在多年的發展後開始嶄露頭角。前者隨著晶體技術的進展，垂直型元件發展快速；後者則因為晶體技術不成熟，仍以異質磊晶的水平型元件為主流，市場也有所區隔。此外，作為更新一代化合物半導體的氧化鎵，近年也開始受到關注，有機會成為更高功率以及更節能的功率元件用晶體材料。本文針對未來在功率半導體深具潛力的碳化矽與氧化鎵晶體技術進行介紹，並說明相關機會與面臨的挑戰。

【內文精選】

碳化矽晶體技術

相較於氮化鎵晶體技術尚未成熟，碳化矽晶體技術近年來快速地發展，也成為目前市場上炙手可熱的半導體材料。PVT (Physical Vapor Transport)法為目前碳化矽晶體成長的主流技術。圖二乃是將高純度碳化矽粉體作為原料(SiC Source)，將其置放在石墨坩堝當中，以感應方式進行加熱，使碳化矽粉體達到2,000˚C以上的高溫後昇華，並將晶種(Seed)置放在石墨坩堝上半部，透過熱場的設計，使昇華的Si、Si₂C、SiC₂等氣相組成在晶種冷卻沉積，進而完成晶體成長。

圖二、碳化矽PVT晶體成長技術

然而，碳化矽多達200種以上的晶型(Polytype)，以及異於傳統液相長晶方式而採用氣相長晶，使得其晶體成長的技術面臨許多挑戰；此外，高純度矽源材料雖然不虞匱乏，但是高純度碳源材料非常有限，將矽源材料與碳源材料反應成為碳化矽，則是在材料端遭遇的另一挑戰；再者，碳化矽的硬度高，使其在晶圓加工上面臨平衡晶體品質以及生產效率的挑戰。這些問題在超過20年的技術發展以及近年電動車等市場的需求推動下逐漸獲得解決，國際一級業者的微管缺陷密度(MicropipeDensity; MPD)可低於5/cm²、甚至無微管(Micropipe Free)的高品級晶圓，BPD (Basal Plane Dislocation)、TED (Threading Edge Dislocation)、TSD (Threading Screw Dislocation)等差排缺陷問題也獲得很大程度的改善。

氧化鎵晶體技術

雖然碳化矽近年有突破性的發展，然而，其採用氣相晶體成長方式使其晶體成長速度受限，影響到產出量能，自然也使得生產成本的降低受到限制；此外，其3.3 eV能隙雖然使其應用上可達3,300 V，但更高電壓的應用則需使用更寬能隙的半導體材料。有鑑於此，另一半導體材料氧化鎵(Gallium Oxide)在近年也開始快速發展，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。氧化鎵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方法，晶體成長速度可大幅增加。一般而言，碳化矽與氮化鎵晶體成長速度約數百μm/h，氧化鎵之晶體成長速度則可達數mm/h甚至數十mm/h，晶體成長設備亦可避免於高壓操作，對於成本控制以及產量控制相對具有競爭力。

提升氧分壓可改善氧化鎵組成分解問題，然而，氧化物的晶體成長大多使用金屬坩堝以避免坩堝材料與溶湯的交互反應。氧化鎵晶體成長主要使用銥(Iridium)或鎢(Tungsten)等高熔點且物性穩定的材料作為坩堝，過高氧分壓往往造成坩堝材料的氧化，除了坩堝的耗損，也可能使得該氧化物進入溶湯而干擾晶體成長。因此，氧分壓的控制為氧化鎵晶體成長技術重要的一環。

與其他晶體類似，氧化鎵亦有多種不同的晶體成長方式，由於在特定的熱力學條件之下具有穩定的液態相，因此主要的晶體成長方式以FZ (Floating Zone)法、VB (Vertical Bridgman)法、CZ (Czochralski Process)法及EFG (Edge-defined Film-fed Growth)法為主。圖六(a)為EFG法成長氧化鎵示意圖，此法乃將高純度氧化鎵粉體熔融後，使用一具有狹小裂縫的模具(Die)浸入材料中，利用毛細現象(Capillary)使氧化鎵溶液往上移動進入到模具中，接觸到晶種後開始進行晶體成長，此法在氧化鎵分解與揮發等問題上具有良好控制效果，為目前商用成長氧化鎵晶體最主流的方法。圖六(b)為CZ法晶體示意圖，CZ法廣泛應用在Si、Ge等晶體成長，技術相對成熟，此法成長氧化鎵乃將高純度氧化鎵粉體熔融後，將晶種浸入熔湯中然後緩慢旋轉並拉升，使得與晶種接觸的熔湯逐漸冷卻而進行晶體成長。相較於CZ法，EFG法成長的晶體在組成控制上較佳，但CZ在取得大型的晶體上則更具優勢，惟需克服組成變異造成鎵與坩堝材料產生共晶或介金屬的技術問題---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。