氧化鎵的晶體成長、特性及其元件應用(上)

 

刊登日期:2021/9/13
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顧鴻壽、楊閔 / 台北海洋科技大學創新設計學院
 
氧化鎵(Ga2O3)具有優異的材料性質,由於具有4.7-4.9 eV寬大的能隙值,擁有極大的崩潰電場/破壞電場(Breakdown Field)。另一個重要的特徵在於經由熔融生長法(Melt Growth Method),能夠商業化製作出大的單晶β-氧化鎵塊材(Bulk)及晶圓(Wafer)。近年來,製作氧化鎵基的金屬-氧化物-半導體(金氧半場效電晶體(Ga2O3-MOSFET),藉由使用新發展的技術來製造單晶的塊材、成長導電性可控制的磊晶薄膜以及製作功率元件。金氧半場效電晶體顯示出優異的元件特性,包含關閉狀態的崩潰電壓/破壞電壓超過370伏特、極低的漏電流及高的開啟/關閉汲極電流比值大於10等級大小。與一般半導體矽(Si)、代表性寬能隙型半導體的碳化矽(SiC)及氮化鎵(GaN)相比,在功率元件應用上,氧化鎵具有同等的、甚至更高的發展潛力。
 
前言
氧化物半導體的種類繁多,且作為未開發的次世代半導體材料族群而備受各方矚目。就其物理性質而言,高的導電性以及高的磁性是目前在其他半導體材料族群上尚未發現的,因此被認為是極富潛力且深奧的物理現象。然而,氧化物半導體很容易自然形成氧空孔(Oxygen Vacancy),進而導致晶體結構的不穩定,使得在實用化上鮮少被討論,截至目前的研究仍是以物理領域的探討為核心。但是發展性極高的銦鎵鋅氧化物(InGaZnO; IGZO)薄膜電晶體(Thin Film Transistor; TFT),目前正被迅速應用在各種元件之中,其他氧化物半導體的實際應用也正在加速進行中,有可能以針對性的方式導入應用。
 
現階段的功率半導體均以矽(Si)為主要材料,然而,次世代的氮化鎵(GaN)、碳化矽(4H-SiC)、氧化鎵(Ga2O3)等功率半導體材料的研發也正推展中。其中,氧化鎵的製造成本將有可能更低於氮化鎵及碳化矽。功率半導體元件所使用的半導體材料有別於傳統元素半導體的矽,此一類型的功率半導體材料是具有超寬能隙型 (Ultrawide Bandgap; UWB)的化合物半導體。
 
氧化鎵比用作功率半導體的碳化矽及氮化鎵具有更寬的能隙值(Wide Bandgap),預計將可用於更大的電力充電系統及其電網供應系統。論及功率半導體,首先會想到的即是矽,但是,近年來碳化矽、氮化鎵等「次世代功率半導體」有了更廣泛的應用,其能隙值比矽來得大,因而備受各方關注。緊隨其後,氧化鎵作為「第三種功率元件用寬能隙型半導體」也同樣地受到各方的關注。也許其實用性已超越了矽、碳化矽以及氮化鎵的能隙值,因此正在積極推動實務性商業化的研究。
 
本文主要針對次世代功率半導體元件的應用,對氧化鎵之研究及開發作討論。氧化鎵的能隙值(Energy Gap)為4.7 ~ 4.9 eV,比能隙值為3.3 ~ 3.4 eV的碳化矽以及氮化鎵要來得寬大。迄今為止,紫外線檢測器(UV Detector)、薄膜電晶體等皆為寬能隙值特性的應用範例。另外,氮化鎵作為發光元件的基板材料也備受各方矚目。這是因為高電子濃度n型氧化鎵(n+-Ga2O3)基板具有高的導電性以及對於氮化鎵和氮化鎵銦(InGaN)活性層之光發射的高透明性等兩種特徵,因此適用於高輸出功率垂直型發光元件的結構。
 
而目前正在研究的是使用單晶氧化鎵作為通道材料的功率電晶體(Power Transistor)以及蕭特基二極體(Schottky Diode)的開發。美國空軍研究實驗室(AFRL)發現,日本NICT研究機構於2012年初氧化鎵基的金屬-半導體場效電晶體(Ga2O3-based MESFET)、2013年氧化鎵基的金氧半場效電晶體、2013年底離子植入的氧化鎵基金氧半場效電晶體(Implanted Ga2O3-based MOSFET)、2016年初高電壓的空乏型氧化鎵基金氧半場效電晶體(Depletion-Mode Ga2O3-based MOSFET),其具有較高的擊穿電壓/破壞電壓(Breakdown Voltage)。美國空軍研究實驗室的Gregg Jessen以及Kelson Chabak於2016年底開發出第一個關閉狀態(Off-State)下高電壓的增強型氧化鎵基的金氧半場效電晶體(Enhancement-Mode Ga2O3-based MOSFET)。2017年製造出第一個射頻(RF)增益氧化鎵基的場效電晶體(Ga2O3-based FET)以及2018年製造出第一個功率開關損耗(Switch Loss)低於矽的氧化鎵基場效電晶體。
 
2012年第一顆以單結晶β-氧化鎵(β-Ga2O3)為基礎材料的電晶體元件成功地製作出來,引起整個產業界的振奮以及喜悅。使用金屬有機氣相磊晶法(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy; MOVPE),將β-Ga2O3磊晶層成長於Al2O3(0001)以及原生的β-Ga2O3(100)基板。錫(Sn)添加的濃度範圍介於1017~1019 cm−3
 
在本文中,首先從物理特性以及晶體生長的角度,來解釋氧化鎵功率半導體元件的定位及其特性。接下來,將介紹單晶氧化鎵、基板(Substrate)製作技術、分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy; MBE)薄膜生長技術。最後,描述空乏型氧化鎵基的金屬-氧化物-半導體場效電晶體。 
 
被視為功率元件的次世代半導體材料氧化鎵 
以下,將從物理特性來探討氧化鎵半導體材料及其功率元件的特性。已被確認的氧化鎵晶體結構有α、β、γ、δ 以及ε等五種,它們都是 …以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
     
圖一、β型氧化鎵(β-Ga2O3)單位晶胞的圖形說明示意圖
圖一、β型氧化鎵(β-Ga2O3)單位晶胞的圖形說明示意圖
 

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