能隙量测比GaN与SiC更宽能隙的半导体材料即将出现

发布日期：2023/7/11 能隙量测
发布单位：iST宜特

当主流的半导体材料-硅(Si)无法满足高速传输、大电压的需求时，
找出最佳的宽能隙材料替代刻不容缓，但该如何量测能隙？选出宽能隙材料后，晶体堆栈的瑕疵又该如何观察呢？

在现代人极度倚靠行动或穿戴装置的生活中，隐于其中的半导体材料无所不在。从早上的闹钟，到盥洗电动牙刷、上网订早餐、手机收看新闻，再到交通工具、工作用计算机、回家做饭的电饭锅、微波炉等。近年来，随着环保节能意识抬头，为了实现净零碳排放，必须将制造大量空污的油、气发电，转向更洁净的绿电能源，未来的生活工具势必共同迈向此目标。

因此，各种大电源及高速传输的供应需求，诸如太阳能、风电、电动交通工具，或家用、物联网、数据中心等，在原本主流的半导体材料-硅(Si)无法胜任此一变化下，新世代的材料因应而生。但这些新材料又是如何挑选的呢？本期宜特小学堂将从能隙的量测和磊晶质量等面向来探讨，新世代的新材料如何挑选?

能隙量测

一、选择高能隙材料的原因?

随着电能需求的大增，高电压、大电流、传输快、散热佳是未来新世代材料的必要条件。基本上，要能承受较高的电压条件，即是半导体材料的能隙(Eg, Energy Band gap)要够大，才可承受更高的临界场(Critical electric field)，以达到稳定快速又更高功率的转换与输出。能隙量测

传统的硅(Si)材料能隙约在1eV，而目前手持式行动装置或车用快充，分别使用的第三类半导体为氮化镓(GaN)与碳化硅(SiC)，其能隙则在3eV左右，约为Si 的三倍，若是能找到更高的宽能隙材料，必定会让我们生活变得更多采多姿。

因此要如何量得能隙的数值呢？可透过搭载在X光电子能谱仪 (XPS)仪器上的紫外光电子能谱 (UPS)和低能反光电子能谱 (LEIPS)两项功能，并搭配软件分析计算后得知。
二、如何使用UPS与LEIPS测量能隙?

(一) 紫外光电子能谱 (UPS)：量测「功函数」和半导体的「游离能」

UPS主要是用氦气(He)产生的紫外光做激发源，其能量约21.12eV。相较于XPS使用的X光源能量(~1KeV)小很多，因此仅会针对原子最外层的电子产生弹性碰撞，得到的会是较表层的光电子能谱。

从能带结构来说，得到的即是原子最外层价电子能带(Valence band)结构，由此能够测量得出「功函数φ(Work function)」或计算出半导体的游离能IE (Ionization Energy)。

(二) 低能反光电子能谱 (LEIPS)：量测半导体材料的导电带(Conduction band)结构

另外一个是使用LEIPS量测半导体材料的导电带(Conduction band)结构，得到电子亲合能EA (Electron Affinity)，如图一右的半导体能带图，其中间的能隙值可以很容易地经由游离能（IE）减去EA（电子亲合能）而得到。

图一：金属导体(左)与半导体(右)的能带图
(图片出处:宜特科技材料分析实验室)

因此透过这二个功能，即可获知我们新材料的能隙数值。能隙量测

在新一类Ga₂O₃的组件开发中，其中有研究将Nb₂O₅加入制作成N型掺杂(Nb Doped)β-Ga₂O₃的晶体特性，如图二藉由UPS能谱量测结果可得到φ(WF)为4.96eV，而藉由右图的能带图可推得能隙值为4.68eV。另外也有研究利用氧化铝(Al₂O₃)掺入Ga₂O₃材料中形成(Al_xGa_1-x)₂O₃的合金结构，即能够将能隙值再作提升。

图二：UPS分析Nb doped β-Ga₂O₃的功函数以推导出能隙值。
(Ref: Crystals 2021, 11, 135.)

如图三可以发现当铝(Al)的组成x从0.25提高至0.50，能隙又再提升0.6eV左右，相对地崩溃电场也些微的增加，对于功率的提升又有更大的帮助。

图三：β-Ga₂O₃ & β-(Al_xGa_1-x)₂O₃合金，当x=0.25与x=0.5的能隙与特性。
(Ref: Appl. Phys. Lett. 121, 240503 (2022))
三、晶体堆栈的差异如何影响能隙？透过XRD鉴定

影响材料的另一个特性是晶体堆栈的结构，所谓的同素异形体，即使是相同的元素材料，亦会因晶体排列的顺序不同，导致材料特性有所差异。比如同样是SiC，就有高达二百多种的结晶型态，而其中最主要的三种分别为六方晶型(Hexagonal)的α-6H SiC与4H SiC以及立方晶型(Cubic)的β-3C SiC。

而适合目前功率组件制造的主要为4H SiC结构，除了是较易制作成大片晶圆外，另一因素是其能隙最高，且电子移动率最快。能隙量测

如图四列出这三种SiC晶型与Si的能隙等性质差异。同样地在Ga₂O₃这个能隙更高的材料中，也存在着不同的晶型，如α(三方, Trigonal)、β(单斜, Monoclinic)、δ(立方, Cubic)等。因此，我们必须透过X光绕射分析(XRD)，去进行鉴定其晶体堆栈排列的差异，以便选择出最优秀的材料。

图四：不同SiC晶型与Si的能隙以及临界电场的差异。
(Ref: Crystals 2022, 12, 245)

图五即为在Al₂O₃基板上成长Ga₂O₃薄膜的XRD绕射图谱，经过比对ICDD PDF Pattern (数据库编号)01-082-3838确认为β相(单斜晶)，优选方向为(211)。

图五：Al₂O₃基板上Ga₂O₃薄膜的XRD分析结果比对确认为单斜晶型的β相。
(图片出处:宜特科技材料分析实验室)
四、如何观察晶体堆栈的瑕疵与缺陷? 仰赖XRD与AFM

一旦选出最合适的材料后，就可开始制作成组件，并开始在表面堆栈各式各样的薄膜，这可能是相同的材料，如SiC以及Ga₂O₃上的磊晶(Epitaxy简称EPI)漂移层(Drift layer)，或是不同的化合物材料，如Si或SiC基板上的GaN 磊晶，由于晶体结构上晶格的不匹配，导致接合的不完美，进而产生差排、缺陷等。

在完成磊晶制程的晶圆，即可藉由XRD的摇摆曲线(Rocking curve)，或是拉曼光谱的偏移(Raman shift)分析鉴定其磊晶的质量。基本上可藉由量测半高宽(FWHM)的大小来评断，如图六为成长(400)β-(Al_xGa_1-x)₂O₃单晶在不同比例的Al含量(x: 0~0.3)分析摇摆曲线迭图的比较结果，显示在Al含量小于0.3时的半高宽都稳定维持在30~50弧秒(Arc sec)，当含量等于0.3时半高宽已变宽达到150Arc sec，这是内部形成较多的缺陷导致晶格扭曲所致。

图六：在(100)晶面的晶种上成长单晶β-(Al_xGa_1-x)₂O₃在不同比例的Al含量(x=0~0.3) rocking curve迭图的比较结果。
(Ref: J. Appl. Phys. 133, 035702 (2023))

此外，也能藉由原子力显微镜(AFM)扫描磊晶后表面的形貌，判断是否因晶格不匹配形成堆栈的瑕疵，或是制程条件不同所产生的问题来做改善。

如图七是AFM量测磊晶形成后三种典型的表面形貌，分别呈现出岛状(Island growth)、阶梯流(Step flow)与阶梯聚集(Step Bunching)的不同成长机制，可提供磊晶制程条件的改善依据。能隙量测

然而当在制作成组件后，数十微米以下的微区观察，此时则需透过试片进行研磨断面扫描电镜(Cross-sectional SEM)分析，或是双束聚焦离子束显微镜(DB-FIB)定点制备观察，甚至可用穿透式电镜(TEM)分析更微小的奈米级缺陷、差排等问题。

图七：AFM观察磊晶表面的三种典型形貌: 2D 岛状(Island growth)、阶梯流(Step flow)与阶梯聚集(Step Bunching)
(Ref: Appl. Phys. Lett. 121, 240503 (2022))

近几年虽然GaN与4H-SiC的材料已成功商业化，并证明其优越的性质，但国外有很多研究开始探索如钻石(Diamond)和氮化硼(BN)等，是否能作为功率组件SiC和GaN的替代材料。除了因为它们具有更高的能隙，即具备「超宽能隙」 (ultra-wide band gap；UWBG)之外，另外也由于在热导性质中Diamond又比GaN高8到10倍，如图八所列，这可以使功率模块的体积在额定的功率下缩小90%，如此未来的产品性能将会更加优秀的便于世人所采用。

图八，超宽能隙(UWBG)与宽能隙(WBG)材料性质的比较。
(Ref. J. Phys. D: Appl. Phys. 53 (2020))

当新一代材料所有的性质一旦确认，并可符合期待的产品规格，下一步则是往大量生产前进(如:制作成晶圆、组件，接着进行芯片减薄、切割、打线到封装)，伴随后续严格的可靠度验证与寿命及失效分析，宜特可以协助您的产品从背面晶圆减薄到封装、测试、可靠度验证，以及产品故障与材料分析等全面性的服务。能隙量测

此外，因应未来车电产品的需求，也提供符合AEC-Q标准的车用组件可靠度验证服务，期许能为下一代新材料、新产品的开发尽一份心力，以达成节能减碳、绿色地球的最终目标。