半導體材料發展

Dec 15, 2022

文/ 張家瑋編/張琬婷

半導體

由其名稱便能看出半導體是指導電性介於導體和絕緣體之間的材料 — — 但實際上純半導體幾乎可視為是完全不導電的絕緣體。而半導體與絕緣體不同之處在於，半導體材料能藉由不同元素的摻雜，來調整獲得不同的電性。例如在四族半導體(如Si, Ge)中摻雜三族元素或五族元素雜質，就能分別獲得以電子或電洞傳輸為主的導電性質。因此透過調整雜質濃度來控制材料的電導率，並將擁有不同電導率的區域放在同一個晶片上，就可以製作電子開關元件、邏輯元件、功率放大元件，高頻功率元件，整流元件等等，應用在電腦、手機、相機等電子產品中。

價帶(valence band)，晶體中電子所位於之最高能量的能階區域

傳導帶(conduction band)，晶體中未被電子填滿且最靠近價帶的能階區域

能隙(energy bandgap)，代表電子脫離原子核束縛所需要的能量

矽(Si)在半導體產業中之地位

現在絕大多數的電腦、手機等電子產品裡的晶片都是以矽(Si)為主，但最早的電晶體卻是用鍺(Ge)做的呢！原因在於電晶體剛被發明出來的時候，矽的純化技術還不夠好，熔點也比較高，這些因素讓矽電晶體的製造相對困難，品質也不穩定。相較之下，鍺電晶體容易製作，自然就成為最早被製作出的電晶體了。

然而當時鍺電晶體在使用上仍有一些明顯的缺點，也就是鍺的熱穩定性太差，隨著溫度增加，漏電流也會劇烈上升，因此只要溫度超過90℃，就沒辦法運作。更不用說，在被廣泛使用在類比電路與數位電路裡的金氧半場效電晶體（英語：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）中，半導體表面能否長出品質好的絕緣層相當重要，但氧化鍺(GeO)沒那麼緻密，還會溶於水，造成鍺基板和閘極間的絕緣較為困難，導致漏電流的產生。

相較之下，矽製成的電晶體在高溫下的穩定性較高，且矽可以經由高溫氧化在表面形成二氧化矽(SiO2)，這個矽天生的絕緣層有著容易製作、不溶於水、緻密和優良絕緣等特性，同時力學化學性質都很穩定，是矽在早期發展MOSFET時難以被取代的關鍵優勢。同時矽也是在地殼中含量第二多的元素，因此矽基板的開採與提煉成本皆相對低很多。這些優勢加上矽的純化技術日趨成熟，使得矽到目前都還是被使用最多，且難以取代的半導體材料。

…

隨著矽半導體製程技術的進步，現在更是重新找回原本被矽取代的鍺，在矽中加入鍺形成矽鍺(SiGe)合金，不但提升了載子遷移率 (carrier mobility)，也可以應用在應變工程與能隙工程上以改變矽的電性與材料特性。

儘管矽可以說是現今最重要的半導體材料，但由於其先天仍有一些材料特性上的物理限制，因此其他半導體，像是三五族化合物半導體、寬能隙半導體陸續被提出，並應用到特殊需求的產品中。下面將陸續介紹三五族化合物半導體與寬能隙半導體。

三五族化合物半導體：砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)

三五族化合物半導體很多都是屬於直接能隙（direct bandgap），意思是當自由電子從較高能量的導電帶(conduction band)底部掉到價電帶(valence band)頂部時，只有能量(energy)的變化，而沒有動量(momentum)的變化。而矽、鍺等四族半導體則是屬於間接能隙（indirect bandgap），當電子從導電帶底部掉到價電帶頂部時，同時有能量及動量的變化。

直接能隙的特性對於半導體在光電中的應用相當重要。

不管是哪種能隙的半導體，當自由電子與價帶中的電洞復合(recombination)時都會釋放出相當於能隙的能量，但這釋放的能量卻不一定會轉化成我們想要的光 — — 原因在於光子(photon)的動量相當小，幾乎可以視為沒有。

一具有間接能隙的半導體，根據動量守恆，自由電子與價帶中的電洞會有動量差，這個動量差造成電子電洞復合時會發射聲子(phonon)，最後變成熱能。

(註：聲子Phonon是一種非真實的準粒子，是用來描述晶體原子熱振動)[5]

相對地，在直接能隙半導體中，自由電子與價帶中的電洞幾乎沒有動量差，電子電洞復合時釋放的能量可以轉化成光子，而不會有聲子的產生 — — 因此這種直接能隙半導體吸收或放出光子的效率遠高於矽半導體等的間接能隙半導體。

具有直接能隙之半導體，例如砷化鎵(GaAs)、銦磷化物(InP)及它們的混合物(InGaAs)等很適合用在雷射二極體、發光二極體(LED, light-emitting diode)、光偵測器等光電元件。同時由於半導體能隙和放出的光子波長的關係為：

，亦可藉由混合不同的三五族半導體來改變半導體的能隙，以放出或吸收特定波長的光。

除了光電上的應用外，由於砷化鎵(GaAs)與銦磷化物(InP)電晶體相較於矽電晶體而言，有著速度較快、更高的增益 (gain)、較高的截止頻率(cutoff frequency)(註：其決定訊號能夠通過的頻率範圍)等優點，因此相當適合用於高頻電路，像是資料中心、基地台、手機或是其他高頻無線通訊元件等。

儘管例如砷化鎵(GaAs)與銦磷化物(InP)等三五族化合物半導體有著許多優異的特性，但由於這些材料較貴，製作的基板也較脆弱造成製程上的困難 — — 種種製程的現實因素使得成本與矽電晶體相比仍有一段差距，導致在實際市場之應用及產值上不如矽電晶體來的多。

寬能隙半導體：碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)

隨著5G、物聯網(IoT, Internet of Things)、智慧電網、電動車的發展需求，矽的物理限制讓其逐漸無法因應這些需求 — — 因此具備耐高溫、耐高電壓、可高頻操作等特性的碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬能隙半導體材料陸續被提出並受到關注。

從材料特性來看，矽元素的能隙為1.12 eV（eV電子伏特，electron voltage）。能隙越高代表電子脫離束縛需要越高的能量，也就是可以承受更高的能量。然而，矽元素能隙大小較小，所以矽功率元件不易勝任在高溫、高電壓或高功率之嚴酷環境的挑戰。

相對地，碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)分別具3.25 eV和3.4 eV的能隙，可以承受更高的電壓及溫度。例如，矽半導體元件只能耐熱至200℃，超過這個溫度就需要額外增加冷卻系統；但碳化矽(SiC)元件在400℃以上的高溫下仍可正常運作，適合應用在電動車中的動力控制單元(Power Control Unit, PCU)等需在高溫環境下操作的電子元件中。

在高功率應用方面，碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)可以承受600V以上的操作電壓，是為矽元件10倍的操作電壓，故適合應用在電動車(30~350kW)以及能源產業(5kW~1MW)所需的高功率元件中。

在高頻元件方面，氮化鎵(GaN)擁有高電子飽和漂移速率速度之特性，電子操作頻率快，可以進行高頻切換的特性 — — 因此在現今5G通訊甚至未來6G通訊中之地位愈來愈重要，例如其適合應用在功率放大器、小型基地台等消費性商品中，而我們更可期待其優勢未來將會在物聯網、衛星通訊、自駕車等領域中被加以發揚並利用。而氮化鎵手機充電器，具備耗損低、體積小、充電速度快等有競爭性的優點，現在在市面上已經隨處可見。

(註：在半導體元件中，電流的漂移速率直接影響了電流的大小；電子漂移速率在未飽和時與電場大小成正比，當電場大小達到一定的大小，電子漂移速率會達到飽和；故高電子飽和漂移速率代表元件可以在高電場下電子漂移速率能夠繼續提高，進而由高電流密度。)[9]