半導體產業越來越傾向使用像碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)這類寬能隙(WBG)材料製造元件，但這些材料的成本仍然相對較高。在過去十年中，氧化鎵(gallium oxide，GaO)技術發展迅速，被推至超寬能隙半導體(ultra-WBG semiconductor)技術的前端位置，其主要目標應用領域是電力電子。基於既有的材料特性——高臨界場強、寬廣的可調電導率、低遷移率和基於熔體的體積生長，氧化鎵可望以低成本提供業界所需的高性能。

為了最大限度地發揮這種新型半導體技術的潛力，業界必須齊心協力解決限制其性能得以發揮的技術障礙。自 2016 年以來，超寬能隙半導體領域發生了重大技術進步，起初是京都大學專門從事氧化鎵薄膜研發和商業化的衍生公司Flosfia得出結論，氧化鎵技術值得開發。

半導體產業正越來越多地轉向採用SiC和GaN等寬能隙材料製造的元件。由於其成本高，在開發電力電子元件新材料的研究中提出了一種稱為β-氧化鎵的超寬能隙材料——β-Ga₂O₃。與過去的基於結的設計方法相比，該材料是人們更加關注材料研究以提高電力電子設備整體性能的結果。β-Ga₂O₃以其獨特的本徵特性脫穎而出，如5eV的超高能隙、良好的導電性和電場保持能力、高臨界場強，最高達到5.5MV/m等。

以不同的方式對材料進行加工，可以產生各種各樣的性能，這展示了其靈活性。例如，透過從熔體中摻雜會導致10mΩcm的電阻率；而透過矽注入則可以將其降低到1mΩcm。另外，可以控制材料上的鹵化物蒸氣磊晶，將其摻雜濃度控制在10¹⁵~10¹⁹/cm³的範圍內。

在β-Ga₂O₃上實現標準特性也相對容易。例如，歐姆式和蕭特基連接觸點可以在相對較低的退火溫度下使用鈦、鋁和鎳等標準金屬製成。可以使用標準生產設備對材料進行成晶和研磨。不同的介電材料，例如使用原子層沉積方法沉積的Al₂O₃，可以用作閘極電介質(圖1)。

圖1：截至2021年，β-Ga₂O₃在各領域應用商業化方面的技術進步一覽表。

(來源AIP Publishing)

氧化鎵的特性

β-Ga₂O₃的高臨界場和相對低的遷移率，使其表現出比SiC和GaN更好的性能。從熔體中生長的材料特性，使得以低於塊狀 GaN、SiC和金剛石的成本製造高質量晶體成為可能。β-Ga₂O₃的主電晶體優值(FoM)約為4H-SiC的3倍，甚至比GaN的主電晶體還要好20%。

憑藉這些優勢，β-Ga₂O₃成為現有寬能隙材料的一種可行的低成本替代品，而且還提高了性能。不過，其大規模商業化仍面臨以下所列的一些挑戰。

首先是材料熱性能問題，β-Ga₂O₃的極低導熱性阻礙了高效傳熱，導熱性是電力電子元件的一個關鍵參數。如何實現超薄的β-Ga₂O₃管芯，將是提高材料導熱性和開發更好的β-Ga₂O₃元件散熱技術的關鍵。

其次是該材料的價帶(valence band)平坦，導致幾乎沒有空穴傳輸，這意味著缺少p型結。這樣一來，就無法形成雪崩p-n結，因此對於應用在帶有雜訊電源領域的設備或需要快速接管大電感負載(例如不斷電供應系統)的應用來說，這的確是一個問題。管芯邊緣的電場會影響元件額定值，如果解決不好的話，會導致性能和可靠性下降，而缺少p型結可能會使問題更加惡化。另外，缺少p型結也對e型電晶體的設計帶來了約束。

再者，各種管芯端接方法也正在研究中，例如斜角端接和使用p型氧化物的端接。然而，目前緩解這一問題的解決方案需要嚴格的製程控制，這也為材料的可用性帶來了一些問題(可參見圖2和圖3)。

圖2：典型的半導體晶片示意圖。

(來源：Tip3X)

圖3：垂直功率元件的理論運算性能(RON vs.VBK)。計算中使用的假設列於右側。該模型考慮了觸點、溝道、漂移和基板電阻；p表示單元間距。

(來源：美國物理聯合會出版社)

還有，與其他半導體相比，β-Ga₂O₃的晶圓尺寸較小也是一個問題，因為較大的晶圓尺寸有助於降低製造成本，同時能提高晶體品質並降低缺陷率。目前製造β-Ga₂O₃元件所使用的最大晶圓尺寸僅為100mm，而業界標準半導體晶圓直徑為150mm，越來越多的公司將邁向200mm。為了利用現有的先進製造設備，β-Ga₂O₃製造必須向更大的晶圓尺寸發展。此外，對β-Ga₂O₃的研究仍處於起步階段，因此尚無可用的元件可靠性資料。

實際上，即便是在經濟因素方面，也還有一些問題需要解決。例如在批量生產β-Ga₂O₃晶體過程中，一部分昂貴的貴金屬坩堝的損耗(這些情況包括邊緣限定、薄膜饋電生長(EFG)製造法，以及與直拉法[CZ]一起使用的銥坩堝)。如果依其他半導體材料的最新技術所要求那樣來增加基板的尺寸，將會使問題更加惡化，並加速這些坩堝的衰退。

據報導，中國的研究人員已經開發了一些方法，可以緩解這一問題，從而將製造過程的成本降低約10倍，但這項技術的大規模應用尚待觀察。適用於垂直β-Ga₂O₃元件磊晶層生長的製造法，需要目前最先進機器上還沒有的技術。

通往元件可行性之路

關於使用β-Ga₂O₃材料所製造元件的設計、開發和商用化方面，業內有相當大的興趣和大量研究。隨著各公司的商業化進展，這種興趣正在推動基板製造技術的驚人成長。

目前有許多元件已經演示，但實際上要應對上述挑戰，仍有大量最佳化工作要做。儘管如此，β-Ga₂O₃技術仍是已經成熟到了令人興奮的時刻，因為這種材料很容易獲得，元件製造所面臨的約束或挑戰都已明確，並且都已得到充分驗證。

如果建立起產業的一致努力，大規模、經濟可行的β-Ga₂O₃製造技術的成功開發，將為商業化打開大門，從而生產出能夠充分利用材料優勢的高可靠性元件。

(參考原文：Gallium Oxide, a New Generation of Semiconductor Material for Power Devices，by Maurizio Di Paolo Emilio)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2023年3月號

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