首頁 第三代寬能隙半導體到底在紅什麼?

第三代寬能隙半導體到底在紅什麼?

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第三代寬能隙半導體到底在紅什麼?

by ruby

發佈日期:2021/5/11第三代寬能隙半導體
發佈單位:iST宜特

2020年嶄露頭角的第三代寬能隙半導體,
連晶圓代工大廠都搶先布局,這到底是什麼技術?
5G及電動車蓬勃發展後,
為何第三代寬能隙半導體市場成了兵家必爭之地?

第三代寬能隙半導體

在半導體材料領域中,第一代半導體是矽(Si),第二代是砷化鎵(GaAs),而目前市場所談的第三代寬能隙半導體就是指碳化矽(SiC) 和氮化鎵(GaN) 。

2021年,可以說是第三代寬能隙半導體嶄露頭角的一年,已成為半導體先進材料的代表。到底什麼是「寬能隙」(Wide Band Gap, WBG)? 它又具有什麼特點? 為何5G、電動車、再生能源、工業4.0的產業趨勢來臨時會這麼需要它?

本期宜特小學堂,就讓我們帶您深入簡出了解第三代寬能隙半導體。

  • 一、為什麼需要用到第三代寬能隙半導體(Wide Band Gap,WBG)?

    由於近年地球暖化與碳排放衍生的環保問題日益嚴重,人類以節能、減碳、愛護地球為共同的首要發展方向,石化能源必須逐步減少並快速導入綠能節電的應用,因此在日常生活用品中也逐步以高能效、低能耗為目標

    舉例而言,聯合國在氣候變化大會巴黎協議中的目標──全球暖化幅度需保持在2℃以內。以目前的經濟發展趨勢預估,即便2050年的升溫保持在2℃內,CO2排放量仍將提高21%,且必須另外取得高達50%的電力因應各種人類活動。因此,大幅提升與改善現有的能源,已是大勢所趨。

    半導體原料最大宗,主要以第一代的「矽(Si)」晶圓的生產製造為主,然而在現有以「矽(Si)」基礎的產品,因材料的物理特性已達極限,無法再提升電量、降低熱損、提升速度,因此需朝向其他更能發揮電子傳輸效率與低能耗的材料演進,而具備高能效、低能耗的第三代寬能隙 (Wide Band Gap,WBG)半導體就在此背景之下因應而生。

  • 二、什麼是能隙(Band Gap)?

    我們先來了解一下何謂「能隙 (Band Gap) 」?

    基本上要用量子物理的理論來簡單說明,在「能帶(Band)」的劃分主要為低能帶區的「價電能帶」 (Valence Band,VB),與高能帶區「導電能帶的(Conduction Band,CB) 的兩種,在VB與CB之間即是一個所謂的能帶間隙 (Band Gap,BG),簡稱「能隙」(圖一)。

    第三代寬能矽半導體

    圖一、半導體能帶與能隙示意圖(圖片來源: 宜特科技繪製)

    金屬材料能夠導電,主要是因為電子都位於高能的CB區域內,電子可自由流動;而半導體材料在常溫下主要電子是位於低能的VB區域內無法流動,當受熱或是獲得足夠大於「能隙(BG)」的能量時,其VB內電子即可克服此能障,躍遷至CB而形成了導電特性。

    因此在積體電路中的電晶體(Transistor)元件,當施加一個小電壓即能快速啟閉電源,長久以來,這個能隙(BG)較小的「矽(Si)」材料才會被大量地採用至今。

    然而,當操作的溫度高於100度之後,產品就容易開始產生退化甚至故障,無法應用在更嚴苛的環境,如交通、軍事或是太空等工具的使用,尋求可耐高壓高溫的第三代寬能隙半導體(Wide Band Gap,WBG)材料才會如此必要。

    我們都知道,功率(Power)是電流(Current)與電壓(Voltage)加乘的正比關係;在高功率元件(Power device)的使用上,我們所熟知的第一代半導體材料-矽(Si)能隙為1.12eV,第二代半導體通訊用的材料砷化鎵(GaAs)為1.43eV,都已在我們的生活中廣泛使用長達二、三十年之久,但這類低能隙材料使用的溫度、頻率、以及功率都已無法突破,必須找尋更合適的材料來替換。

    而第三代寬能隙半導體(Wide Band Gap,WBG)材料可以提升更高的操作電壓,產生更大的功率,並且將能損降低,另外相較Si元件的體積又可大幅縮小。

  • 三、有哪些更佳的寬能隙材料?

    那麼有哪些更佳的寬能隙材料呢?如Si與C的化合物碳化矽(SiC),相關的材料能隙均可大於3.0eV;另外,Ga與N或O的化合物氮化鎵(GaN)或氧化鎵(Ga2O3)也分別高達3.4eV與4.9eV,而鑽石(Diamond)更高達5.4eV(表一)。

    特性 SiSiC(4H)GaNGa2O3(β)Diamond
    能隙(eV)1.13.33.44.95.4
    遷移率(cm2/Vs)1400100012003002000
    擊穿電場強度(MV/cm)0.32.53.3810
    導熱率(W/cmK)1.54.91.30.1420

    表一、半導體材料的物性比較(表格來源:宜特科技)

    其中氮化鎵(GaN)或氧化鎵(Ga2O3),雖然分別在LED照明或是紫外光的濾光光源應用已經一段時間,但受限於這類半導體材料的特性在生產製作上挑戰性仍然是高的。

    例如,要製作SiC的單晶晶棒,相較Si晶棒的生產困難且時間緩慢很多,以及GaN與Si晶圓的晶格不匹配易生成差排缺陷(dislocation defect)等問題必須克服,導致長久以來相關的製程開發困難且花費高昂。

  • 四、寬能隙材料運用在那些產品上?

    不過,近年來的國際知名大廠意法半導體(ST Microelectronics)、英飛凌(Infineon)、羅姆(Rohm)等均有相當大的突破。如GaN在以Si或SiC為基板的產品已陸續發表,目前市售的快速充電器採用的即是GaN on Si材料製作的高功率(如60瓦以上)產品,其除了功率提升外,也因為溫度與熱效應可大幅降低,使得元件可大幅縮小,充電器體積也更加玲瓏小巧,未來這在行動裝置、筆電等快充電源的應用更是潛力無窮。

    現行以矽基材料為主的高功率產品多以絕緣閘雙極電晶體(IGBT)或金氧半場效電晶體(MOSFET)為主,如圖二,可以看到各種功率元件和模組與相關材料應用的範圍,雖然在傳統IGBT高功率模組大約能應用至一百千瓦(100kW)以上,但速度卻無法提升至一百萬赫茲(1MHz)。

    而GaN材料雖然速度跟得上,但功率卻無法達到更高的一千瓦(1kW)以上,必須改用SiC的材料。

    功率元件與相關材料應用範圍

    圖二、功率元件與相關材料的應用範圍(圖片來源: 英飛凌公司)

    SiC因具有比Si更好的三倍導熱率,使得元件體積又可以更小,這些特性使得它更能適合應用在電動車內。在特斯拉的model3也從原先的IGBT改成使用意法半導體(ST Microelectronics)生產的SiC功率元件,作為其牽引逆變器(Traction inverter)、直流電交互轉換器與充電器 (DC-to-DC converter & on-board charger) 等的應用,提高電能的使用效率與能損的降低。

    在未來更高的電力能源需求下,車載裝置除了須具備基本的高功率外,還需要極高速的充電能力以因應電力的補充,車用充電樁、5G通訊基地台、交通運輸工具、甚至衛星太空站等更大的電力能源需求,相關的電流傳輸轉換,電傳速度的要求以及能損的降低,不得不邁向更有效率的WBG材料進行大規模的開發,超高功率的SiC元件模組需求亦會大量地被採用。

  • 五、寬能隙材料開發生產階段,需進行那些驗證分析?

    宜特觀察,晶圓代工廠與功率IDM廠商也都持續不斷地努力研究與開發。不過,新半導體材料,在初期開發中,總是會有許多需進行研發驗證的狀況,近年,宜特就協助多家 WBG產業的開發與生產驗證。

    比如磊晶製程相關的結構或缺陷分析,就可以藉由宜特科技的雙束聚焦離子束(Dual beam FIB)製備剖面樣品並進行尺寸量測或成分分析(EDS),亦可搭配穿透式電子顯微鏡(TEM)進行奈米級的缺陷觀察;

    而相關擴散區域的分析可經由樣品研磨製備剖面後,進行掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察以及掛載在原子力顯微鏡 (AFM)上的偵測模組-掃描式電容顯微鏡(SCM)判別摻雜區域的型態與尺寸量測,如圖三為SiC的元件分析擴散區摻雜的型態,先用SEM觀察井區(Well)的分布位置,再經由SCM判斷上層分別有N與P型Well以及磊晶層(EPI) 為N型。

    另外在摻雜元素及濃度的分析,則可透過宜特科技的二次離子質譜分析儀 (SIMS)的技術,圖四為GaN on Si的元件,先用雙束聚焦離子束(Dual beam FIB)進行剖面成份分析(EDS)判斷磊晶區域的主要成份之後,提供SIMS參考再進行摻雜元素Mg定量分析濃度的結果,作為電性調整的依據。

    第三代寬能矽半導體, SEM

    圖三、使用SEM剖面觀察SiC元件的結構,搭配SCM分析N/P型與擴散區的量測(圖片來源: 宜特科技)

    第三代寬能隙半導體, DB FIB, SIMS

    圖四、使用DB-FIB觀察GaN元件的剖面結構與EDS成份分析,搭配SIMS分析摻雜濃度 (圖片來源: 宜特科技)

    諸如上述介紹WBG元件結構的解析之外,其它任何產品都可透過宜特實驗室的材料分析及電性、物性故障分析來尋求解答。當然,包括因應安全要求更高的產品可靠度測試與評估,均可藉由宜特提供更完整全方位的驗證與服務。

本文與各位長久以來支持宜特的您分享,若您有相關需求,或是對相關知識想要更進一步了解細節,歡迎洽詢 +886-3-579-9909 分機 6613 張先生 │ Email: sa_tw@istgroup.com