第三代半導體
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GaN(氮化鎵)與SiC(碳化矽)這兩種寬能隙(wide band gap)半導體被稱為第三代半導體,因具有更好的物理和化學特性,且擁有高功率、耐高溫、高崩潰電壓、高電流密度、高頻特性,使晶片面積可大幅縮小,簡化周邊電路設計。第三代半導體比傳統半導體材料矽(Si)的帶隙要寬的多,能隙是決定半導體的崩潰電場,即能承受的電壓,帶隙越寬的材料越能耐高電壓、高電流。第三代半導體是5G、電動車、高功率應用(如快速充電)、雷達等重要關鍵元件。
半導體第一代材料是矽(Si),矽的帶隙寬約是1.17 eV;第二代材料是砷化鎵(GaAs),是現今絕大部分通信設備的材料;第三代材料是指帶隙寬在2.3eV及以上的半導體材料。SiC的帶隙寬為3.26 eV,GaN的為3.5eV,因此成為功率或射頻元件的新材料。
SiC及GaN在晶體成長、磊晶、元件設計及製作上都具有很大的挑戰,這也是當今第三代半導體尚未能普及化的原因。
SiC是由Si與C兩個元素要合成為SiC晶體,需攝氏2,600度的高溫,比生產矽(Si)單晶溫度高上1,000多度。SiC單晶的晶種需要一片高品質的晶圓,利用加熱昇華的方式,Si及C蒸氣附著於上端的SiC晶圓上,而長出SiC的晶柱,SiC比Si堅硬,後續晶圓的切磨拋既費時也費工。上端SiC晶圓是黏著於一石墨加熱器上,因此晶柱不可能長得很厚長,所以晶柱就矮Si的很多。
GaN比SiC更為複雜,GaN沒有自己的基板,必須附著於外來的基板上,最常用到的外來基板就是藍寶石、SiC及Si。將GaN磊晶成長在藍寶石基板上,就是一般藍光或白光LED的標準製程;若是成長在SiC基板上,就是5G基站PA微波功率放大器的作法;若是成長在Si基板上就是功率元件。但GaN磊晶不容易成功地長在Si基板,因為兩者的晶格常數相差17%,而熱膨脹係數的差別更是大於50%。
應用端持續往大電壓及大電流前進之趨勢,因為Si有其先天上的極限,所以也吸引廠商投入GaN與SiC領域,以搶食半導體新世代元件之商機。
SiC GaN應用場域
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