第三代宽能隙半导体到底在红什么？

2021 年崭露头角的第三代宽能隙半导体，连晶圆代工大厂都抢先布局，这到底是什么技术？5G 及电动车蓬勃发展后，为何第三代宽能隙半导体市场成了兵家必争之地？

在半导体材料领域中，第一代半导体是硅（Si），第二代是砷化镓（GaAs），而目前市场所谈的第三代宽能隙半导体就是指碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。

2021 年，可以说是第三代宽能隙半导体崭露头角的一年，已成为半导体先进材料的代表。到底什么是"宽能隙"（Wide Band Gap，WBG）？它又具有什么特点？为何 5G、电动车、再生能源、工业 4.0 的产业趋势来临时会这么需要它?

本期宜特小学堂，就让我们带您深入简出了解第三代宽能隙半导体。

一、为什么需要用到第三代宽能隙半导体（Wide Band Gap，WBG）？

由于近年地球暖化与碳排放衍生的环保问题日益严重，人类以节能、减碳、爱护地球为共同的首要发展方向，石化能源必须逐步减少并快速导入绿能节电的应用，因此在日常生活用品中也逐步以高能效、低能耗为目标。

举例而言，联合国在气候变化大会巴黎协议中的目标──全球暖化幅度需保持在 2℃ 以内。以目前的经济发展趋势预估，即便 2050 年的升温保持在 2℃ 内，CO2 排放量仍将提高 21%，且必须另外取得高达 50% 的电力因应各种人类活动。因此，大幅提升与改善现有的能源，已是大势所趋。

半导体原料最大宗，主要以第一代的"硅（Si）"晶圆的生产製造为主。然而在现有以"硅（Si）"基础的产品，因材料的物理特性已达极限，无法再提升电量、降低热损、提升速度，因此需朝向其他更能发挥电子传输效率与低能耗的材料演进，而具备高能效、低能耗的第三代宽能隙（Wide Band Gap，WBG）半导体就在此背景之下因应而生。

二、什么是能隙（Band Gap）?

我们先来了解一下何谓"能隙 （Band Gap）"?

基本上要用量子物理的理论来简单说明，在"能带（Band）"的划分主要为低能带区的"价电能带" （Valence Band，VB），与高能带区的"导电能带 （Conduction Band，CB） "两种，在 VB 与 CB 之间即是一个所谓的能带间隙（Band Gap，BG），简称"能隙"（图一）。

▲ 图一、半导体能带与能隙示意图。（Source：宜特科技绘製）

金属材料能够导电，主要是因为电子都位于高能的 CB 区域内，电子可自由流动；而半导体材料在常温下主要电子是位于低能的 VB 区域内无法流动，当受热或是获得足够大于"能隙（BG）"的能量时，其 VB 内电子即可克服此能障，跃迁至 CB 而形成了导电特性。

因此在积体电路中的电晶体（Transistor）元件，当施加一个小电压即能快速启闭电源，长久以来，这个能隙（BG）较小的"硅（Si）"材料才会被大量地採用至今。

然而，当操作的温度高于 100℃ 之后，产品就容易开始产生退化甚至故障，无法应用在更严苛的环境，如交通、军事或是太空等工具的使用，寻求可耐高压高温的第三代宽能隙半导体（Wide Band Gap，WBG）材料才会如此必要。

我们都知道，功率（Power）是电流（Current）与电压（Voltage）加乘的正比关係；在高功率元件（Power device）的使用上，我们所熟知的第一代半导体材料硅（Si）能隙为 1.12eV，第二代半导体通讯用的材料砷化镓（GaAs）为 1.43eV，都已在我们的生活中广泛使用长达二、三十年之久，但这类低能隙材料使用的温度、频率、以及功率都已无法突破，必须找寻更合适的材料来替换。

而第三代宽能隙半导体（Wide Band Gap，WBG）材料可以提升更高的操作电压，产生更大的功率，并且将能损降低，另外相较硅元件的体积又可大幅缩小。

三、有哪些更佳的宽能隙材料？

那么有哪些更佳的宽能隙材料呢？如 Si 与 C 的化合物碳化硅（SiC），相关的材料能隙均可大于 3.0eV；另外，Ga 与 N 或 O 的化合物氮化镓（GaN）或氧化镓（Ga2O3）也分别高达 3.4eV 与 4.9eV，而钻石（Diamond）更高达 5.4eV（表一）。

特性SiSiC(4H)GaNGa2O3(β)Diamond能隙(eV)1.13.33.44.95.4迁移率(cm2/Vs)1400100012003002000击穿电场强度(MV/cm)0.32.53.3810导热率(W/cmK)1.54.91.30.1420

▲ 表一、半导体材料的物性比较。（Source：宜特科技）

其中氮化镓（GaN）或氧化镓（Ga2O3），虽然分别在 LED 照明或是紫外光的滤光光源应用已经一段时间，但受限于这类半导体材料的特性在生产製作上挑战性仍然是高的。

例如，要製作 SiC 的单晶晶棒，相较 Si 晶棒的生产困难且时间缓慢很多，以及 GaN 与 Si 晶圆的晶格不匹配易生成差排缺陷（dislocation defect）等问题必须克服，导致长久以来相关的製程开发困难且花费高昂。

四、宽能隙材料运用在那些产品上？

不过，近年来的国际知名大厂意法半导体（ST Microelectronics）、英飞凌（Infineon）、罗姆（Rohm）等均有相当大的突破。如 GaN 在以 Si 或 SiC 为基板的产品已陆续发表，目前市售的快速充电器採用的即是 GaN on Si 材料製作的高功率（如 60 瓦以上）产品，其除了功率提升外，也因为温度与热效应可大幅降低，使得元件可大幅缩小，充电器体积也更加玲珑小巧，未来这在行动装置、笔电等快充电源的应用更是潜力无穷。

现行以硅基材料为主的高功率产品多以绝缘闸双极电晶体（IGBT）或金氧半场效电晶体（MOSFET）为主，如图二，可以看到各种功率元件和模组与相关材料应用的範围，虽然在传统 IGBT 高功率模组大约能应用至一百千瓦（100kW）以上，但速度却无法提升至一百万赫兹（1MHz）。

而 GaN 材料虽然速度跟得上，但功率却无法达到更高的一千瓦（1kW）以上，必须改用 SiC 的材料。

▲ 图二、功率元件与相关材料的应用範围。（Source：英飞凌）

SiC 因具有比 Si 更好的三倍导热率，使得元件体积又可以更小，这些特性使得它更能适合应用在电动车内。在特斯拉的 model3 也从原先的 IGBT 改成使用意法半导体（ST Microelectronics）生产的 SiC 功率元件，作为其牵引逆变器（Traction inverter）、直流电交互转换器与充电器 （DC-to-DC converter & on-board charger）等的应用，提高电能的使用效率与能损的降低。

在未来更高的电力能源需求下，车载装置除了须具备基本的高功率外，还需要极高速的充电能力以因应电力的补充，车用充电桩、5G 通讯基地台、交通运输工具、甚至卫星太空站等更大的电力能源需求，相关的电流传输转换，电传速度的要求以及能损的降低，不得不迈向更有效率的 WBG 材料进行大规模的开发，超高功率的 SiC 元件模组需求亦会大量地被採用。

五、宽能隙材料开发生产阶段，需进行那些验证分析？

宜特观察，晶圆代工厂与功率 IDM 厂商也都持续不断地努力研究与开发。不过，新半导体材料，在初期开发中，总是会有许多需进行研发验证的状况，近年，宜特就协助多家 WBG 产业的开发与生产验证。

比如磊晶製程相关的结构或缺陷分析，就可以藉由宜特科技的双束聚焦离子束（Dual beam FIB）製备剖面样品并进行尺寸量测或成分分析（EDS），亦可搭配穿透式电子显微镜（TEM）进行奈米级的缺陷观察。

而相关扩散区域的分析可经由样品研磨製备剖面后，进行扫描式电子显微镜（SEM）观察以及挂载在原子力显微镜 （AFM）上的侦测模组-扫描式电容显微镜（SCM）判别掺杂区域的型态与尺寸量测，如图三为 SiC 的元件分析扩散区掺杂的型态，先用 SEM 观察井区（Well）的分布位置，再经由 SCM 判断上层分别有 N 与 P 型 Well 以及磊晶层（EPI）为 N 型。

另外在掺杂元素及浓度的分析，则可透过宜特科技的二次离子质谱分析仪 （SIMS）的技术，图四为 GaN on Si 的元件，先用双束聚焦离子束（Dual beam FIB）进行剖面成份分析（EDS）判断磊晶区域的主要成份之后，提供 SIMS 参考再进行掺杂元素 Mg 定量分析浓度的结果，作为电性调整的依据。

▲ 图三、使用 SEM 剖面观察 SiC 元件的结构，搭配 SCM 分析 N/P 型与扩散区的量测。（Souece：宜特科技）

▲ 图四、使用 DB-FIB 观察 GaN 元件的剖面结构与 EDS 成份分析，搭配 SIMS 分析掺杂浓度。（Source：宜特科技）

诸如上述介绍 WBG 元件结构的解析之外，其它任何产品都可透过宜特实验室的材料分析及电性、物性故障分析来寻求解答。当然，包括因应安全要求更高的产品可靠度测试与评估，均可藉由宜特提供更完整全方位的验证与服务。

本文与各位长久以来支持宜特的您分享，若您有相关需求，或是对相关知识想要更进一步了解细节，欢迎洽询 +886-3-579-9909 分机 1068 邱小姐 │ Email: marketing_tw@istgroup.com。

（首图来源：宜特科技）