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，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)勢與產(chǎn)業(yè)前景又究竟為何？
Ga2O3技術(shù)原理與優(yōu)勢
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，然而此類產(chǎn)品仍面臨許多極限，無論在高功率或是高頻元件與系統(tǒng)，除不斷精進結(jié)構(gòu)設(shè)計外，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，又因為其超寬禁帶的特性，使材料所能承受更高電壓的崩潰電壓和臨界電場，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)體材料其對應(yīng)之能隙與崩潰電場。可發(fā)現(xiàn)Ga2O3應(yīng)用之功率范圍高達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（Ebr）高達8MV/cm，相較于GaN 的能隙3.4eV，SiC的能隙3.3eV都高出許多，在Barliga評價（BFOM）寬禁帶半導(dǎo)體的系數(shù)中Ga2O3高達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將會是非常好的應(yīng)用。
圖（二）寬禁帶材料其崩潰電場與導(dǎo)通電阻之關(guān)系圖
車用、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，諸如電動車、電力系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電機的渦輪等都是其應(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發(fā)與商業(yè)化，可說是很具前瞻性的材料之一！
Ga2O3傳感器應(yīng)用現(xiàn)況與未來
Ga2O3應(yīng)用現(xiàn)況與未來
我們離Ga2O3落地還有多遠？
Ga2O3未來潛力值得期待，不過現(xiàn)階段仍有許多問題有待克服。
目前Ga2O3在材料本身主要之問題為散熱與P-type摻雜不易達成；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，散熱問題嚴重的話會造成在組件操作方面接口的熱崩潰，目前主要透過結(jié)構(gòu)設(shè)計解決此問題，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被發(fā)表提出，現(xiàn)有資料主要歸納出以下三個原因：首先因為Ga2O3在氧的共價鍵方面為2p軌域，擁有非常強的鍵結(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，造成平坦價帶（flat valence band）邊緣傾向于氧。最后，因為自由電洞的容易被自我捕捉（self-trapped）于晶格扭曲（latticedistortion）中，使擴散與低電場的漂移都不太可能去實現(xiàn)。這是Ga2O3目前所面臨的一些問題，有待去改善以達到更多元的應(yīng)用。
長晶部份，主要有floating zone（FZ）、edgedefined film（EFG）、與 Czochralskimethods（CZ），這些方法在制作藍寶石基板已經(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長晶法成長Ga2O3晶棒之示意圖
綜觀上述，Ga2O3屬于新開發(fā)之材料，潛力極佳與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景可期。
