第四代半導體：氧化鎵

最近氧化鎵半導體被討論的熱度是非常高，還有人稱之為第四代半導體，有別於第一代的矽(Si)，第二代的砷化鎵(GaAs)及磷化銦(InP)，第三代的碳化矽(SiC)及氮化鎵 (GaN)，究其因除了本身具有寬能隙 (wide bandgap)的特性外，另外很重要的一點就是，氧化鎵半導體在技術上，可以使用傳統單晶成長的方式，製作出直徑6英吋的晶柱(ingot)，這是在第三代半導體中所無法實現的，這對於未來不論就成本以及元件特性，都有著莫大的助益。

我個人並不十分認同用第幾代來區分半導體，因為這有取代的意義，而很明顯的，這裡沒有誰可以取代誰的空間，矽仍是最重要的半導體，所以充其量只能說是第幾類的半導體罷了。這樣的分類，主要是以半導體的能隙為依據，到了第三代的能隙，氮化鎵為3.4 eV(電子伏特)、碳化矽為3.3 eV，遠高於矽的1.1 eV。能隙越寬，半導體能夠忍受的電場強度就越大，也就是元件能夠在更高的電壓下工作。而氧化鎵的能隙達到了4.9 eV，這對於電源功率轉換上是一大優勢。然而單憑此寬能隙的特性，就能夠無往不利了嗎?

目前市面上有兩家公司有能力提供4吋氧化鎵的晶圓，分別是FLOSFIA以及Novel Crystal，這兩家都是日本的新創公司，技術來源均來自於學校，分別是京都大學以及東京農工大學。FLOSFIA成立於2011主要投資者包括了DENSO、三菱重工以及安川電機；Novel Crystal創立於2015年，主要投資者是田村製作所(Tamura)。除了晶圓製作外，這兩家公司也有磊晶成長的技術，使用的是hydrid VPE (HVPE)的方法。此法是利用氯化氫(HCl)氣體與加熱成液態的鎵金屬，反應形成的氯化鎵氣體，之後再與氧氣反應形成氧化鎵沉積在基板上。

氧化鎵在晶圓以及磊晶的特性上均有不錯的表現，另外在n-型半導體的摻雜，在不同濃度的雜質的需求上，也都可以符合元件製作的條件。然而要能製作出完整的功率元件，還需要p-型的摻雜以及氧化層作閘極的開關。氧化鎵半導體p-型摻雜的活化能需要1 eV，是平常能接受數值的20倍以上，這幾乎很難實現出可使用的p-型氧化鎵半導體。p-型摻雜一直是寬能隙半導體的罩門，氮化鎵如此，氧化鎵更是困難。

另外氧化鎵半導體已經是氧化物了，勢必得找出能隙更寬的氧化物作為閘極材料來製作出功率電晶體；氧化鋁(7 eV)變成了唯一的選擇。高品質的氧化鋁薄膜也是很難在元件製作過程中實現，尤其能隙越高的材料就越困難。最後既使氧化鎵功率元件可以在實驗室中製作出來，具有相當優質的崩潰電壓，但是導通電阻卻異常的高，這會影響了功率元件的電流密度、功率轉換效率以及可靠度了。目前市面上有銷售的氧化鎵半導體元件，也只有蕭特基二極體，因為該二極體是最簡單的半導體元件，只要有n-型的摻雜以及金屬，就完成了。

之前我們討論過氮化鎵第三代半導體，是最為夢幻的半導體了，因為氮化鎵可製作出LED、半導體雷射、功率元件，甚至微波功率放大器等多種應用。然而造化弄人，氮化鎵就是沒有自己的基板，必須依託在別人的基板上生存，受到了很大的限制，這也是為什麼可以長出晶柱的氧化鎵，一開始這麼受到關注的原因。然而科學家一直還沒有放棄在這方面的努力，事實上有三項氮化鎵基板技術還在進行中。

歷史最久的方法是Ammonothermal(AT)，是由波蘭科學院的科學家所發展出來。需要在1,000個大氣壓以上的腔體成長，而成長的速度是每天只有100µm，目前可以長出兩吋的氮化鎵晶圓。另一個方法就是前述的HVPE，由於該法成長的速度可達每小時100µm，因此科學家利用長磊晶的方法來成長氮化鎵晶圓，市面上已有6吋HVPE氮化鎵晶圓，主要用於藍光雷射的製作。三菱化學是目前能夠提供氮化鎵基板的主要供應商之一，最近宣布要將技術由HVPE轉換為AT。相信是在工藝上有所突破，畢竟AT是在熱平衡狀態下所成長的晶體，因此晶圓的品質也會較佳。

第三項受到矚目的技術是由日本住友電機與Soitec合作開發氮化鎵smart cut。Soitec是法國微電子研究院所衍生新創的公司，而此smart cut技術被廣泛運用在SOI (Si on insulator)的基板製作。此法首先將氫離子以離子佈植的方式注入氮化鎵的基板，深度約數個微米；然後面朝下與表面覆蓋了二氧化矽的矽晶圓結合，此結合為凡得瓦爾力的鍵結，非常牢靠，但需要施以壓力與溫度。此時再加溫讓氫在氮化鎵內產生原子級的發泡膨脹，此力量會使數微米厚的氮化鎵剝離開原基板，而均勻覆蓋在二氧化矽上。由於二氧化矽是相對軟的材料，因此不會產生介面應力，就像在切伊比利火腿般，高品質的數微米厚氮化鎵就牢牢地呈現在矽晶圓上，而這數微米厚的氮化鎵就足夠做半導體元件了。

越寬能隙的半導體是能夠提供越高的操作電壓，但以氧化鎵為例，更寬的能隙後續是會衍生出不少在元件製作上的挑戰，尤其在導通電阻及可靠性的問題。有些是可以靠工程的方式解決，有些卻是基本的物理及化學。因此我個人直覺的認為，氮化鎵及碳化矽能隙在3 eV附近是個甜蜜點。至於氧化鎵是否能成為眾所矚目的第四代半導體，且拭目以待。