隨著以SiC與GaN為主的第三代半導(dǎo)體應(yīng)用逐漸落地，被視為第四代之超寬禁帶氧化鎵（Ga2O3）和鉆石等新一代材料，成為下一波矚目焦點(diǎn)，特別是Ga2O3在超高功率元件應(yīng)用有著不容小覷的潛力，而其優(yōu)勢(shì)與產(chǎn)業(yè)前景又究竟為何？

　　Ga2O3技術(shù)原理與優(yōu)勢(shì)

　　雖然以Si基板為主的組件已主導(dǎo)現(xiàn)今科技產(chǎn)業(yè)之IC與相關(guān)之電子元件，然而此類(lèi)產(chǎn)品仍面臨許多極限，無(wú)論在高功率或是高頻元件與系統(tǒng)，除不斷精進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，新興材料亦推陳出新。特別是第三代半導(dǎo)體以SiC與GaN為主之高功率元件與系統(tǒng)，在大電力與高頻元件上被賦予重任，更已陸續(xù)應(yīng)用在相關(guān)之產(chǎn)業(yè)。

　　盡管如此，被視為第四代之超寬禁帶氧化鎵（Ga2O3）和鉆石等新一代材料，特別是Ga2O3因其基板制作相較于SiC與GaN更容易，又因?yàn)槠涑瑢捊麕У奶匦裕共牧纤艹惺芨唠妷旱谋罎㈦妷汉团R界電場(chǎng)，使其在超高功率元件之應(yīng)用極具潛力。

　　上圖（a）為現(xiàn)今常用之半導(dǎo)體材料所適用之頻率與工作功率范圍，（b）為現(xiàn)今常用之半導(dǎo)體材料其對(duì)應(yīng)之能隙與崩潰電場(chǎng)。可發(fā)現(xiàn)Ga2O3應(yīng)用之功率范圍高達(dá)1kW-10kW

　　Ga2O3擁有五種晶相（polymorphs）（monoclinic（β-Ga2O3），rhombohedral（α），defective spinel（γ）， cubic（δ）， or orthorhombic（ε）），且擁有約4.5-4.9eV的超寬禁帶與臨界電場(chǎng)（Ebr）高達(dá)8MV/cm，相較于GaN 的能隙3.4eV，SiC的能隙3.3eV都高出許多，在Barliga評(píng)價(jià)（BFOM）寬禁帶半導(dǎo)體的系數(shù)中Ga2O3高達(dá)3444，是SiC的十倍、GaN的四倍，此一系數(shù)關(guān)系著元件所能承受之最高電壓，由此BFOM系數(shù)也可以看到Ga2O3在高功率元件之應(yīng)用潛力。（相關(guān)之材料特性比較如表（一）所示。）

　　表（一）相關(guān)之材料特性比較

　　在高功率元件之應(yīng)用，除其崩潰電場(chǎng)需夠高外，在導(dǎo)通電阻方面也是重要參數(shù)之一。如圖（二）示，Ga2O3之導(dǎo)通電阻也較GaN與SiC低，也因此Ga2O3在工業(yè)或是軍事上作為整流器時(shí)將會(huì)是非常好的應(yīng)用。

　　圖（二）寬禁帶材料其崩潰電場(chǎng)與導(dǎo)通電阻之關(guān)系圖

　　車(chē)用、光電都看好，應(yīng)用廣泛且前景可期

　　Ga2O3具備許多優(yōu)良的特性，使其可以應(yīng)用在許多方面，特別是其寬禁帶特性能在功率元件上有顯著的應(yīng)用，諸如電動(dòng)車(chē)、電力系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的渦輪等都是其應(yīng)用范圍。而Ga2O3的薄膜透明，不僅在光電元件方面可作為透明面板上的組件，光感與氣體傳感器領(lǐng)域也都可以是其應(yīng)用范圍。

　　也因此Ga2O3產(chǎn)業(yè)前景方面應(yīng)用廣泛，且潛力極大仍有許多組件等待被開(kāi)發(fā)與商業(yè)化，可說(shuō)是很具前瞻性的材料之一！

　　Ga2O3傳感器應(yīng)用現(xiàn)況與未來(lái)

　　Ga2O3應(yīng)用現(xiàn)況與未來(lái)

　　我們離Ga2O3落地還有多遠(yuǎn)？

　　Ga2O3未來(lái)潛力值得期待，不過(guò)現(xiàn)階段仍有許多問(wèn)題有待克服。

　　目前Ga2O3在材料本身主要之問(wèn)題為散熱與P-type摻雜不易達(dá)成；散熱方面，可以發(fā)現(xiàn)熱導(dǎo)率（0.25 W/cm.K）相較于其他高功率材料差；SiC熱導(dǎo)率4.9 W/cm.K，GaN熱導(dǎo)率2.3 W/cm.K，散熱問(wèn)題嚴(yán)重的話會(huì)造成在組件操作方面接口的熱崩潰，目前主要透過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決此問(wèn)題，例如使用高導(dǎo)熱系數(shù)的基板幫助分流其操作的高溫。

　　而P-type摻雜則更為棘手，目前尚未有足夠的電洞遷移率文獻(xiàn)被發(fā)表提出，現(xiàn)有資料主要?dú)w納出以下三個(gè)原因：首先因?yàn)镚a2O3在氧的共價(jià)鍵方面為2p軌域，擁有非常強(qiáng)的鍵結(jié)電子不容易被搶走，造成深受子態(tài)（deep acceptor state）。第二，Ga2O3中的電洞有效質(zhì)量（effective mass）太高，造成平坦價(jià)帶（flat valence band）邊緣傾向于氧。最后，因?yàn)樽杂呻姸吹娜菀妆蛔晕也蹲剑╯elf-trapped）于晶格扭曲（latticedistortion）中，使擴(kuò)散與低電場(chǎng)的漂移都不太可能去實(shí)現(xiàn)。這是Ga2O3目前所面臨的一些問(wèn)題，有待去改善以達(dá)到更多元的應(yīng)用。

　　長(zhǎng)晶部份，主要有floating zone（FZ）、edgedefined film（EFG）、與 Czochralskimethods（CZ），這些方法在制作藍(lán)寶石基板已經(jīng)使用多年，因此在生產(chǎn)淺潛力上相較其他化合物半導(dǎo)體GaN和SiC，更能大量生產(chǎn)與降低成本。

　　在現(xiàn)今商業(yè)生產(chǎn)上主要應(yīng)用EFG長(zhǎng)晶法（如下圖所示），此方法能生產(chǎn)大量且高純度的Ga2O3晶圓，在N2/O2下融化高純度（5N）的Ga2O3 Powder在Ir的坩鍋中，并以每小時(shí)15 mm的速率從晶種中拉出晶棒，最后再去清洗切割，若要n-type摻雜后續(xù)再摻Sn或Si等元素。

　　EFG長(zhǎng)晶法成長(zhǎng)Ga2O3晶棒之示意圖

　　綜觀上述，Ga2O3屬于新開(kāi)發(fā)之材料，潛力極佳與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景可期。