[技術小學堂] 第三代寬能隙半導體

第三代寬能隙(Wide Band Gap) 半導體 (GaN & SiC)
Rex Huang

2021年展露頭角的第三代寬能隙半導體在高功率的應用裡引起各方注意,就連晶圓代工大廠都搶先佈局, 由此可見寬能隙(WBG) 在新的應用場域存在著無窮的潛力。

第三代寬能隙半導體是什麼技術? 為何5G及電動車蓬勃發展後第三代寬能隙(WBG)半導體成為了兵家必爭之地? 我們從半導體材料種類做個簡單分析。

半導體材料種類:
1. 矽(Si) 簡稱第一代(或稱第一類)
2. 砷化鎵(GaAs) 簡稱第二代(或稱第二類)
3. 碳化矽(SiC, Silicon Carbide) 及 氮化鎵(GaN, Gallium Nitride) 簡稱第三代(或稱第三類)

SiC 與 GaN 個具優勢發展領域大不同
SiC(Silicon Carbide 碳化矽 SiC是由矽(Si)與碳(C)組成,擁有低損耗高功率的特性非常適合用於高電壓及高功率的應用場景,如電動車、充電樁、太陽能及風力發電等綠能設備。

GaN(Galliun Nitride 氮化鎵)
GaN 擁有中等電壓(900V以下工作電壓) 並擁有較高的工作頻率(Mhz) 因此非常適用於如充電器,5G基地台,5G 通訊設備等應用。
      SiC (Silicon Carbide) GaN (Gallium Nitride)
能隙(Band Gap) 3.2eV 3.4eV
工作電壓(Voltage) > 1200V < 900V
特性(Characteristic) 耐高溫、高功率、高效率 耐高溫、高頻、高效率
應用領域(Appliances) 電動車、充電樁、綠能設備 中低功率、5G射頻設備、軍用雷達

磊晶技術使得SiC與 GaN 有天生上的應用差異
SiC 為”同質磊晶”技術擁有非常佳的品質及可靠度,另外在加上SiC 垂直元件因此在物理上又擁有功率密度高的特性,這也是為何電動車會選擇使用他的主要因素。
GaN 為橫向元件,生長在不同基板上(Substrate)為”異質磊晶”技術因此在製造上薄膜品質及可靠度相對較難掌握,因此應用在消費性產品,如快充充電器沒有太大問題,但應用在需要極高可靠度的工業應用或是電動車時則會有疑慮。

從基板(substrate)技術來看GaN 皆是採用 矽(Si)及碳化矽(SiC)為基板分別為 :
1. GaN on Si 磊晶技術
2. GaN on SiC 磊晶技術
因此,在基板的技術不同也延生出不同的應用領域,由於使用異質磊晶技術,因此在生產時其技術門檻及成本就大幅高於SiC 的同質磊晶技術。
目前異質磊晶技術門檻高,技術都掌握在國外少數大廠 Cree,ROHM手上,國內長晶廠商正積極佈局突破技術門檻預期指日可待。

      GaN on Si GaN on SiC
特色(Band Gap) 高頻,中低頻
成本較低
Si 長晶取得容易
性能佳
高頻,高溫
SiC 取得不易,成本高
常規尺寸 6吋 6吋
售價 500美金 1200美金
應用    •   RF 射頻元件(RF GaN)
   •   Power GaN
   •   5G 基地台
   •   電動出充電電池

何謂寬能隙(WGB Wide Band Gap) ?

半導體選用矽(Si)當材料,是因為其能隙(energy gap)大小適中,矽的帶隙(Band Gap) 為1.1eV, 在室溫下性質穩定,操控電壓無需太大。
然而在新的應用需求下,高電壓、大電流、高切換(switch)速度等,需要有更合適的材料來製做元件,而寬能隙材料(Wide band Gap Material)的物理特性可以完全滿足需要。

寬能隙(WBG) 是指帶隙在2~7eV之間的半導體,SiC(Silicon Carbide)與GaN(Gallium Nitride),它們的帶隙分別是(SiC)3.265eV 及 (GaN) 3.4eV。
SiC 及 GaN 的好處是以它為材料製成的元件能夠耐受的電壓,電流和溫度都較矽大幅提升,它們的擊穿電壓(breakdown voltage)非常高,且切換速度快、能耗低,這就構成了功率元件的基礎條件。

過去以矽為材料的功率元件包括二極體(bipolar),功率晶體(power MOSFET),絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor;IGBT)等,在未來的5G、電動汽車、再生能源、快速充電等新應用上,具備寬能隙(WBG)的 SiC 及GaN 將勢必取代已矽(Si) 為主的功率相關元器件。

功率元件MOSFET

從上述的討論中,我們可以清楚得知第三類半導體 SiC/ GaN 非常適合應用於功率相關元件,而在功率元件中又以MOSFET 為主要元器件,其特性具備 開/關,放大等特色,在許多的功率裝置(Power Device)使用非常多的MOSFET 來進行電源裝置設計。

哪麼什麼是電晶體? 他是如何工作的?我們使用MOSFET N Channel Enhancement model 來進行簡易的介紹~

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 也稱為電壓控制裝置(Voltage Control Device )
MOSFET 有三個端子分別有
1. Source (源端)
2. Gate (閘端)
3. Drain (汲端)
4. GND (地端)


閘極(Gate) 源極(Soruce) 汲極(Drain) 之間的作動關係 (Cut-off region)
在源端(Source)及汲端(Drian) 之間,加上電壓後(VDS)兩極之間呈現絕緣狀態電流無法通過(Source to Drain),這個現象又稱之為切斷模式(Cut-off) 。如下圖:



在閘極(Gate)及源極(Source)間加入電壓(產生電場),自由電子將被閘級(Gate)的正電荷所吸引,在源極(Source)與汲極(Drain) 形成一個通道(Channel),由於閘極(Gate)正電荷迫使電洞(holes) 們將開始往閘級離開。請參考下圖 :


臨界電壓(Threshold Voltage) : On mode
閘極電壓(VGS)決定了通道寬窄,因此加載的電壓必須能吸引更多的自由電子,使得通道的寬度足夠讓更多的電子流經過,這個電壓稱之為臨界電壓(Threshold Voltage) ;簡單來說閘極電壓(VGS) 必須大於臨界電壓(Threshold Voltage) 才能使MOSFET 處於On-mode。

VGS >臨界電壓(Threshold voltage)時,源端(Source) 汲極(Drain) 兩端處於導通,此時稱之為線性區(Linear Region)又稱純阻區(Ohmic),符合使用歐姆定律,I = V/R 當VDS電壓增加,電流(Current) 會呈線性增加。

這個工作行為在源極(Source)與汲極(Drain)之間形成一個通道,從內部來看就像在Source 與 Drain 間安裝了一個水管,電子流(汲極電流 Drain Current) 可經由此通道由源極(Source)移動到汲極(Drain)這個通道的寬窄可以由閘極(Gate)電壓來進行控制。請參考下圖


截止電流(Saturation current)及截止電壓(Saturation voltage)
但當 VDS 增加時,空乏區(Depletion Region) 在 Drain 及 substrate(基板)之間,因正極的吸引讓負電荷(N-Type半導體)往正極靠近,使得可流經汲極(Drain)的電子減少而呈現截止現象(Pinch-off effect) 稱為截止現象。請參考下圖藍色圈起地方


汲極特性參數(Drain Characteristic)
從上述的基礎原理中有談到在VDS給予電壓後通道(Channel, Source to Drain) 後,將會開啟讓電子通過,電流並與電壓呈現線性關係,但在VDS 提高電壓到截止點(Saturation Voltage)後 Drain 端會呈現截止現象(Pinch-off) 讓電流無法流通 (實務上是並非沒有電子,而是將電子保留在Channel 中) 。

特性曲線如下圖標示,在紅色曲線表示為VDS 處於線性區,當VDS 繼續拉高電壓時,可以看到在曲線中藍色的地方呈現持平,這是因為電壓及電流已經進入到飽和點,曲線旁的綠色箭頭表示為VGS 目前處於一個固定電壓狀態下的VDS 曲線量測。請參考下圖


此時若我們需要增加更多電流我們需要如何進行呢?我們回想一下VGS 可以控制通道(Channel)的大小,VGS 電壓越大通道則會越大可以流過的電子就可以變大,因此改變VGS 可以使得Drain Current 得到相對應的變化。如下圖VGS 電壓提高,Drain Current的曲線變化。


轉換特性(Transfer Characteristics)
MOSFET 的特性也稱之為電壓控制元件,從上述的曲線圖可以得知,VGS 的變化可以改變電流經過的大小,因此我們可以從另外一個曲線如下圖來解釋MOSFET 的特性,當VGS 越高時Drain Current 越大。


這兩個曲線分別如下
1. Drain Characteristic 使用特性曲線清楚的表達了Drain current 的線性區或稱純阻區(Ohmic) 及飽和區Saturation)


2. Transfer Characteristic 從另外一個特性曲線,表達了VGS 與 Drain Current 的關係。

MOSFET 的基礎工作原理及曲線的意義,大致如上述的篇幅介紹,我們直接免去了使用公式的方式來解釋MOSFET的物理工作方式,在時務上還有更多特性是需要被進行量測如 Current Collapse , 動態電阻量測RDS ON,輸入電容Ciss,輸出電容Coss,C/V Curve,這些特性曲線都可以透過量測設備來進行精準量測。

量測設備方案 (I/V,C/V Curve)

在半導體業裡被奉為 I/V Curve 量測標準的儀表,為早期Keysight 發表的4155C及Tektronix 所發表的370A/371A 等設備,隨著應用的推進早期的半導體量測設備早已無法負荷現代的應用,如電壓電流的提高,尤其是在新一代的半導體 SiC,GaN 其工作功率已超出傳統半導體量測設備。

克達科技在量測系統中提供了一系列量測系統:
1. Datasheet generator (DC)
2. Dynamic Power Device Analyzer(Double Pulse tester AC)
3. CP/FT DC Tester


測試治具
工作功率的提高在測試上使用的測試治具就變得相當重要,克達科技提供客戶完整的測試治具,針對不同的功率元件腳位及尺寸提供了獨一無二的方案。


探針方案(Probe station)
On-Wafer 測試所需要的探針座、探針卡,及量測依據需求克達科技提供了全自動、半自動、手動等方案。
1. Manual
2. Semi-Auto
3. Fully-Auto

軟體(Software)
控制儀表進行數據擷取可根據客戶需求進行參數曲線繪畫,可大幅減少切換設備及計算時間。




克達科技因應電子市場變化的需求,我們不只提供給您單機Box 的服務選項,更專業地協助您在規劃產品定位及研發測試時之相關第三代半導體測試解決方案:
•       SiC/GaN/IGBT 測試方案
•       WBG 測試系統
•       探針座/探針卡方案

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