能隙量測

發佈日期：2023/7/11 能隙量測
發佈單位：iST宜特

當主流的半導體材料-矽(Si)無法滿足高速傳輸、大電壓的需求時，
找出最佳的寬能隙材料替代刻不容緩，但該如何量測能隙？選出寬能隙材料後，晶體堆疊的瑕疵又該如何觀察呢？能隙量測

在現代人極度倚靠行動或穿戴裝置的生活中，隱於其中的半導體材料無所不在。從早上的鬧鐘，到盥洗電動牙刷、上網訂早餐、手機收看新聞，再到交通工具、工作用電腦、回家做飯的電鍋、微波爐等。近年來，隨著環保節能意識抬頭，為了實現淨零碳排放，必須將製造大量空污的油、氣發電，轉向更潔淨的綠電能源，未來的生活工具勢必共同邁向此目標。能隙量測

因此，各種大電源及高速傳輸的供應需求，諸如太陽能、風電、電動交通工具，或家用、物聯網、資料中心等，在原本主流的半導體材料-矽(Si)無法勝任此一變化下，新世代的材料因應而生。但這些新材料又是如何挑選的呢？本期宜特小學堂將從能隙的量測和磊晶品質等面向來探討，新世代的新材料如何挑選?

一、選擇高能隙材料的原因?

隨著電能需求的大增，高電壓、大電流、傳輸快、散熱佳是未來新世代材料的必要條件。基本上，要能承受較高的電壓條件，即是半導體材料的能隙(Eg, Energy Band gap)要夠大，才可承受更高的臨界場(Critical electric field)，以達到穩定快速又更高功率的轉換與輸出。

傳統的矽(Si)材料能隙約在1eV，而目前手持式行動裝置或車用快充，分別使用的第三類半導體為氮化鎵(GaN)與碳化矽(SiC)，其能隙則在3eV左右，約為Si 的三倍，若是能找到更高的寬能隙材料，必定會讓我們生活變得更多采多姿。

因此要如何量得能隙的數值呢？可透過搭載在X光電子能譜儀 (XPS)儀器上的紫外光電子能譜 (UPS)和低能反光電子能譜 (LEIPS)兩項功能，並搭配軟體分析計算後得知。
二、如何使用UPS與LEIPS測量能隙?

(一) 紫外光電子能譜 (UPS)：量測「功函數」和半導體的「游離能」

UPS主要是用氦氣(He)產生的紫外光做激發源，其能量約21.12eV。相較於XPS使用的X光源能量(~1KeV)小很多，因此僅會針對原子最外層的電子產生彈性碰撞，得到的會是較表層的光電子能譜。

從能帶結構來說，得到的即是原子最外層價電子能帶(Valence band)結構，由此能夠測量得出「功函數φ(Work function)」或計算出半導體的游離能IE (Ionization Energy)。

(二) 低能反光電子能譜 (LEIPS)：量測半導體材料的導電帶(Conduction band)結構

另外一個是使用LEIPS量測半導體材料的導電帶(Conduction band)結構，得到電子親合能EA (Electron Affinity)，如圖一右的半導體能帶圖，其中間的能隙值可以很容易地經由游離能（IE）減去EA（電子親合能）而得到。

圖一：金屬導體(左)與半導體(右)的能帶圖
(圖片出處:宜特科技材料分析實驗室)

因此透過這二個功能，即可獲知我們新材料的能隙數值。

在新一類Ga₂O₃的元件開發中，其中有研究將Nb₂O₅加入製作成N型摻雜(Nb Doped)β-Ga₂O₃的晶體特性，如圖二藉由UPS能譜量測結果可得到φ(WF)為4.96eV，而藉由右圖的能帶圖可推得能隙值為4.68eV。另外也有研究利用氧化鋁(Al₂O₃)摻入Ga₂O₃材料中形成(Al_xGa_1-x)₂O₃的合金結構，即能夠將能隙值再作提升。

圖二：UPS分析Nb doped β-Ga₂O₃的功函數以推導出能隙值。
(Ref: Crystals 2021, 11, 135.)

如圖三可以發現當鋁(Al)的組成x從0.25提高至0.50，能隙又再提升0.6eV左右，相對地崩潰電場也些微的增加，對於功率的提昇又有更大的助益。

圖三：β-Ga₂O₃ & β-(Al_xGa_1-x)₂O₃合金，當x=0.25與x=0.5的能隙與特性。
(Ref: Appl. Phys. Lett. 121, 240503 (2022))
三、晶體堆疊的差異如何影響能隙？透過XRD鑑定

影響材料的另一個特性是晶體堆疊的結構，所謂的同素異形體，即使是相同的元素材料，亦會因晶體排列的順序不同，導致材料特性有所差異。比如同樣是SiC，就有高達二百多種的結晶型態，而其中最主要的三種分別為六方晶型(Hexagonal)的α-6H SiC與4H SiC以及立方晶型(Cubic)的β-3C SiC。

而適合目前功率元件製造的主要為4H SiC結構，除了是較易製作成大片晶圓外，另一因素是其能隙最高，且電子移動率最快。

如圖四列出這三種SiC晶型與Si的能隙等性質差異。同樣地在Ga₂O₃這個能隙更高的材料中，也存在著不同的晶型，如α(三方, Trigonal)、β(單斜, Monoclinic)、δ(立方, Cubic)等。因此，我們必須透過X光繞射分析(XRD) ，去進行鑑定其晶體堆疊排列的差異，以便選擇出最優秀的材料。

圖四：不同SiC晶型與Si的能隙以及臨界電場的差異。
(Ref: Crystals 2022, 12, 245)

圖五即為在Al₂O₃基板上成長Ga₂O₃薄膜的XRD繞射圖譜，經過比對ICDD PDF Pattern (資料庫編號)01-082-3838確認為β相(單斜晶)，優選方向為(211)。

圖五：Al₂O₃基板上Ga₂O₃薄膜的XRD分析結果比對確認為單斜晶型的β相。
(圖片出處:宜特科技材料分析實驗室)
四、如何觀察晶體堆疊的瑕疵與缺陷? 仰賴XRD與AFM

一旦選出最合適的材料後，就可開始製作成元件，並開始在表面堆疊各式各樣的薄膜，這可能是相同的材料，如SiC以及Ga₂O₃上的磊晶(Epitaxy簡稱EPI)漂移層(Drift layer)，或是不同的化合物材料，如Si或SiC基板上的GaN 磊晶，由於晶體結構上晶格的不匹配，導致接合的不完美，進而產生差排、缺陷等。

在完成磊晶製程的晶圓，即可藉由XRD的搖擺曲線(Rocking curve)，或是拉曼光譜的偏移(Raman shift)分析鑑定其磊晶的品質。基本上可藉由量測半高寬(FWHM)的大小來評斷，如圖六為成長(400)β-(Al_xGa_1-x)₂O₃單晶在不同比例的Al含量(x: 0~0.3)分析搖擺曲線疊圖的比較結果，顯示在Al含量小於0.3時的半高寬都穩定維持在30~50弧秒(Arc sec)，當含量等於0.3時半高寬已變寬達到150Arc sec，這是內部形成較多的缺陷導致晶格扭曲所致。

圖六：在(100)晶面的晶種上成長單晶β-(Al_xGa_1-x)₂O₃在不同比例的Al含量(x=0~0.3) rocking curve疊圖的比較結果。
(Ref: J. Appl. Phys. 133, 035702 (2023))

此外，也能藉由原子力顯微鏡(AFM)掃描磊晶後表面的形貌，判斷是否因晶格不匹配形成堆疊的瑕疵，或是製程條件不同所產生的問題來做改善。

如圖七是AFM量測磊晶形成後三種典型的表面形貌，分別呈現出島狀(Island growth)、階梯流(Step flow)與階梯聚集(Step Bunching)的不同成長機制，可提供磊晶製程條件的改善依據。

然而當在製作成元件後，數十微米以下的微區觀察，此時則需透過試片進行研磨斷面掃描電鏡(Cross-sectional SEM)分析，或是雙束聚焦離子束顯微鏡(DB-FIB)定點製備觀察，甚至可用穿透式電鏡(TEM)分析更微小的奈米級缺陷、差排等問題。

圖七：AFM觀察磊晶表面的三種典型形貌: 2D 島狀(Island growth)、階梯流(Step flow)與階梯聚集(Step Bunching)
(Ref: Appl. Phys. Lett. 121, 240503 (2022))

近幾年雖然GaN與4H-SiC的材料已成功商業化，並證明其優越的性質，但國外有很多研究開始探索如鑽石(Diamond)和氮化硼(BN)等，是否能作為功率元件SiC和GaN的替代材料。除了因為它們具有更高的能隙，即具備「超寬能隙」 (ultra-wide band gap；UWBG)之外，另外也由於在熱導性質中Diamond又比GaN高8到10倍，如圖八所列，這可以使功率模組的體積在額定的功率下縮小90%，如此未來的產品性能將會更加優秀的便於世人所採用。

圖八，超寬能隙(UWBG)與寬能隙(WBG)材料性質的比較。
(Ref. J. Phys. D: Appl. Phys. 53 (2020))

當新一代材料所有的性質一旦確認，並可符合期待的產品規格，下一步則是往大量生產前進(如:製作成晶圓、元件，接著進行晶片減薄、切割、打線到封裝)，伴隨後續嚴格的可靠度驗證與壽命及失效分析，宜特可以協助您的產品從背面晶圓減薄到封裝、測試、可靠度驗證，以及產品故障與材料分析等全面性的服務。

此外，因應未來車電產品的需求，也提供符合AEC-Q標準的車用元件可靠度驗證服務，期許能為下一代新材料、新產品的開發盡一份心力，以達成節能減碳、綠色地球的最終目標。