第三代半導體

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。