翁雪萍 / 工研院材化所
氧化鎵(Gallium Oxide; Ga2O3)由於具備高禁帶寬度(4.9 eV)，而被歸類為超寬禁帶半導體的材料群之一。以氧化鎵材料製作的功率元件，相較於碳化矽(Silicon Carbon;SiC)和氮化鎵(Gallium Nitride; GaN)所製成的產品，更耐熱且高效、成本更低、應用範圍更廣。本文將對氧化鎵材料、長晶技術與應用市場等面向進行討論。
【內文精選】
氧化鎵特性與應用
氧化鎵(Ga2O3)因具有4.48 eV~4.90 eV禁帶寬度、將近1,800˚C的熔點以及8 MV/cm高擊穿電場(崩潰電場)等特性，非常適合用以開發具高溫需求或高功率需求的裝置，如：高溫氣體感測器應用，因電阻率會隨甲烷(CH4)、一氧化碳(CO)、氨(NH3)等各種氣體的濃度高低不同而產生變化，因而須具可信辨識率；而高禁帶寬度則可應用於光偵測器。目前已知Ga2O3根據生長溫度和壓力，按照排列主要有五種晶型，分別為β- Ga2O3 (Monoclinic)、α- Ga2O3 (Hexagonal/Rhombohedral)、γ- Ga2O3 (Cubic/Spinel)、δ- Ga2O3 (Cubic)、ε- Ga2O3 (Hexagonal)，此外還有第六種κ- Ga2O3 (Orthorhombic)。
氧化鎵競爭市場與產業化發展
由於SiC可實現小尺寸與高效率元件應用，在油電混合以及電動車領域、再生能源領域當中已經開始取代矽基技術。然而SiC的成本高昂，因此在電力電子領域中，比SiC更具備經濟優勢的Ga2O3得到了重點關注。目前Ga2O3也確實有機會降低批量生產晶圓成本，促進電力電子器件上大量製作，以滿足於電能轉換需求，進而使Ga2O3在寬能隙技術市場當中擔當重要的角色。2020年，4吋Ga2O3晶圓以及含外延層的晶圓已進入商業化，這也代表此技術發展迅速。
氧化鎵長晶技術簡介
β- Ga2O3單晶除了上述提到相較於其他晶型的優勢外，另外一個特殊性在於經歷1,820˚C熔點下發生分解還原(Ga2O3 → 2Ga + 3/2O2)的反應，也可以透過其他熔融技術如：導膜法(EFG)、柴式拉晶法(CZ)、浮熔長晶法(FZ)、布式長晶法(BS)、伐諾伊焰熔法等方法重新生長，並且於過程當中根據使用需求決定是否摻雜元素，如：N-type氧化鎵單晶可透過摻雜Sn或Si等元素獲得。
3. 浮熔長晶法(FZ)
1996年，學者採用浮熔長晶法(Floating Zone; FZ)生長β-Ga2-xInxO3。隨後利用FZ法成功合成直徑達8 mm的β-Ga2O3單晶晶棒。FZ法的起始材料是5N級β- Ga2O3粉末，透過冷等靜壓(CIP)製程(50~300 MPa)將其壓製成棒狀。
在晶體生長過程中，燒結棒置於上軸，與位於下軸的β- Ga2O3晶種沿著相反方向緩慢旋轉，並於1,500˚C的空氣或合成空氣(21 vol% O2 + 79 vol% N2)中燒結10小時，生長速率為1~20 mm h-1，晶體生長過程如圖七(a)。FZ利用射頻加熱線圈移動熔化區，將多晶原料轉化為單晶材料，是目前製造高電阻率矽晶錠的優選方法之一。
圖七 (a) FZ方法的示意圖；(b) FZ方法製作的β-Ga2O3實體(L: 13.6 mm × W: 8.4 mm × H: 5.2 mm)
晶體成長原料於熱場中的狹窄區域熔融，並沿著晶種的方向流動成長。在熔化區中，將不純物於固體前邊緣熔化，而將更純的物質凝固並停滯於後方。重覆上述過程，直到最終將雜質集中於晶柱的一端，而大部分的晶柱部分呈現成分較純的固體為止。由於缺乏雜質，而減少異質成核的機會，製備者可選擇在缺乏雜質的區域加入晶種進行特定方向的晶粒成長，在該區域生長單晶。這個方法幾乎可適用明顯的固–液相之間濃度差異的平衡溶質–溶劑系統，由於FZ可同時進行精煉純化與單晶成長，兩樣目標都可以兼顧，且不用像柴式拉晶法要煩惱坩鍋帶來的污染，因此是重要的半導體製程之一。
2018年，He等人利用FZ法生長β- Ga2O3晶體(圖七(b))，在室溫下表現出小於1 ns的超快閃爍衰減時間，由於在紫外線光譜範圍測試下，以β- Ga2O3晶體應用於紫外燈與螢光燈中，可表現出高光輸出特性(高光輸出特性為光源照射到物體後反射時，人眼所見物體上最亮的點(聚光區))，使這種超快閃爍體有利於應用在TOF-PET醫學影像等超快定時解析度之偵測系統。
5. 韋爾納伊工藝(火焰熔融法)
最後介紹的韋爾納伊工藝(Verneuil Process)是在1902年時由Verneuil提出，以火焰熔融(Flame-fusion)方式進行晶體成長的概念方法。最初，這個工藝提出的唯一目標是製造紅寶石。這種方法的主要優點是可以應用於多種氧化物長晶，且因為不需要坩堝來容納熔體，故可避免熔體與坩堝交互污染，或是熔體與坩堝材質產生反應等問題(圖十二) ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十二 (a)傳統Verneuil的生長裝置；(b)晶體成長過程示意圖；(c)雙通道Verneuil Process長晶爐
★本文節錄自《工業材料雜誌》452期，更多資料請見下方附檔。