GaN 應用領域則包括高壓功率元件（Power）、高射頻元件（RF），Power 常做為電源轉換器、整流器，而平常使用的藍牙、Wi-Fi、GPS 定位則是 RF 射頻元件的應用範圍之一。 另外，SiC 本身是「同質磊晶」技術，所以品質好、元件可靠度佳，這也是電動車選擇使用它的主因，加上又是垂直元件，因此功率密度高。 SiC 是由矽（Si）與碳（C）組成，結合力強，在熱量上、化學上、機械上皆安定，由於低耗損、高功率的特性，SiC 適合高壓、大電流的應用場景，例如電動車、電動車充電基礎設施、太陽能及離岸風電等綠能發電設備。 第三代半導體在高頻狀態下仍可以維持優異的效能和穩定度，同時擁有開關速度快、尺寸小、散熱迅速等特性，當晶片面積大幅減少後，有助於簡化周邊電路設計，進而減少模組及冷卻系統的體積。 半導體材料的能隙可以利用一些工程手法加以調整，特別是在化合物半導體中，例如控制砷化鎵鋁（AlGaAs）或砷化鎵銦（InGaAs）各種元素間的比例，或是利用如分子束磊晶（Molecular Beam Epitaxy, MBE）成長出多層的磊晶材料。 這類半導體材料在高速半導體元件或是光電元件，如異質接面雙載子電晶體（Heterojunction Bipolar Transistor, HBT）、雷射二極體，或是太陽能電池上已經成為主流。
現行以矽基材料為主的高功率產品多以絕緣閘雙極電晶體（IGBT）或金氧半場效電晶體（MOSFET）為主，如圖二，可以看到各種功率元件和模組與相關材料應用的範圍，雖然在傳統 IGBT 高功率模組大約能應用至一百千瓦（100kW）以上，但速度卻無法提升至一百萬赫茲（1MHz）。 當新一代材料所有的性質一旦確認，並可符合期待的產品規格，下一步則是往大量生產前進（如：製作成晶圓、元件，接著進行晶片減薄、切割、打線到封裝），伴隨後續嚴格的可靠度驗證與壽命及失效分析，iST 宜特可以協助您的產品從背面晶圓減薄到封裝、測試、可靠度驗證，以及產品故障與材料分析等全面性的服務。 然而當在製作成元件後，數十微米以下的微區觀察，宜特材料分析實驗室建議，此時則需透過試片進行研磨斷面掃描電鏡（Cross-sectional SEM）分析，或是雙束聚焦離子束顯微鏡（DB-FIB）定點製備觀察，甚至可用穿透式電鏡（TEM）分析更微小的奈米級缺陷、差排等問題。 而適合目前功率元件製造的主要為 4H SiC 結構，除了是較易製作成大片晶圓外，另一因素是其能隙最高，且電子移動率最快。 在新一類 Ga2O3 的元件開發中，其中有研究將 Nb2O5 加入製作成 N 型摻雜（Nb Doped）β-Ga2O3 的晶體特性，如圖二藉由 UPS 能譜量測結果可得到φ（WF）為 4.96eV，而藉由右圖的能帶圖可推得能隙值為 4.68eV。 另外也有研究利用氧化鋁（Al2O3）摻入 Ga2O3 材料中形成（AlxGa1-x）2O3 的合金結構，即能夠將能隙值再作提升。
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因此，宜特材料分析實驗室建議，可透過 X 光繞射分析（XRD） ，去進行鑑定其晶體堆疊排列的差異，以便選擇出最優秀的材料。 影響材料的另一個特性是晶體堆疊的結構，所謂的同素異形體，即使是相同的元素材料，亦會因晶體排列的順序不同，導致材料特性有所差異。 比如同樣是 SiC，就有高達二百多種的結晶型態，而其中最主要的三種分別為六方晶型（Hexagonal）的 α-6H SiC 與 4H SiC 以及立方晶型（Cubic）的 β-3C SiC。
第三代半導體生產成本高昂，放量生產仍有難度，現階段國內外廠商都朝著策略結盟，透過加強上下游垂直整合能力，將良率提升、降低成本，最終量產。 至於 GaN-on-SiC 的關鍵材料 SiC 基板，製程更是繁雜、困難，過程需要長晶、切割、研磨。 生產 SiC 的單晶晶棒比 Si 晶棒困難，時間也更久，Si 長晶約 3 天就能製出高度 200 公分的晶棒，但 SiC 需要 7 天才能長出 2 到 5 公分的晶球，加上 SiC 材質硬又脆，切割、研磨難度更高。
寬能隙半導體: 磊晶技術困難、關鍵 SiC 基板由國際大廠主導
在半導體材料領域中，第一代半導體是矽（Si），第二代是砷化鎵（GaAs），而目前市場所談的第三代寬能隙半導體就是指碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）。 此外，因應未來車電產品的需求，也提供符合 AEC-Q 標準的車用元件可靠度驗證服務，期許能為下一代新材料、新產品的開發盡一份心力，以達成節能減碳、綠色地球的最終目標。 近幾年雖然 GaN 與 4H-SiC 的材料已成功商業化，並證明其優越的性質，但國外有很多研究開始探索如鑽石（Diamond）和氮化硼（BN）等，是否能作為功率元件 SiC 和 GaN 的替代材料。
其中氮化鎵（GaN）或氧化鎵（Ga2O3），雖然分別在 LED 照明或是紫外光的濾光光源應用已經一段時間，但受限於這類半導體材料的特性在生產製作上挑戰性仍然是高的。 由於近年地球暖化與碳排放衍生的環保問題日益嚴重，人類以節能、減碳、愛護地球為共同的首要發展方向，石化能源必須逐步減少並快速導入綠能節電的應用，因此在日常生活用品中也逐步以高能效、低能耗為目標。 此外，也能藉由原子力顯微鏡（AFM）掃描磊晶後表面的形貌，判斷是否因晶格不匹配形成堆疊的瑕疵，或是製程條件不同所產生的問題來做改善。 在完成磊晶製程的晶圓，即可藉由 XRD 的搖擺曲線（Rocking curve），或是拉曼光譜的偏移（Raman shift）分析鑑定其磊晶的品質。 宜特材料分析實驗室建議，可透過搭載在 X 光電子能譜儀（XPS）儀器上的紫外光電子能譜（UPS）和低能反光電子能譜（LEIPS）兩項功能，並搭配軟體分析計算後得知。
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第三代半導體（包括 SiC 基板）產業鏈依序為基板、磊晶、設計、製造、封裝，不論在材料、IC 設計及製造技術上，仍由國際 IDM 廠主導，代工生存空間小，目前台灣供應商主要集中在上游材料（基板、磊晶）與晶圓代工。 現今電動車的電池動力系統主要是 200V-450V，更高階的車款將朝向 800V 發展，這將是 SiC 的主力市場。 不過，SiC 晶圓製造難度高，對於長晶的源頭晶種要求高，不易取得，加上長晶技術困難，因此目前仍無法順利量產，後面會多加詳述。
而 GaN 材料雖然速度跟得上，但功率卻無法達到更高的一千瓦（1kW）以上，必須改用 SiC 的材料。 以目前的經濟發展趨勢預估，即便 2050 年的升溫保持在 2℃ 內，CO2 排放量仍將提高 21%，且必須另外取得高達 50% 的電力因應各種人類活動。 如圖七是 AFM 量測磊晶形成後三種典型的表面形貌，分別呈現出島狀（Island growth）、階梯流（Step flow）與階梯聚集（Step Bunching）的不同成長機制，可提供磊晶製程條件的改善依據。 相較於 XPS 使用的 X 光源能量（~1KeV）小很多，因此僅會針對原子最外層的電子產生彈性碰撞，得到的會是較表層的光電子能譜。
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目前 SiC 基板主要由 Cree、II-VI、英飛凌（Infineon）、意法半導體（STM）、ROHM、三菱電機（Mitsubishi）、富士電機（Fuji 寬能隙半導體2023 Electric）等國際大廠主導，以 6 吋或 8 吋晶圓為主；台廠則以 4 吋為主，6 吋晶圓技術尚未規模化生產。 在半導體材料領域中，第一代半導體是「矽」（Si），第二代半導體是「砷化鎵」（GaAs），第三代半導體（又稱「寬能隙半導體」，WBG）則是「碳化矽」（SiC）和「氮化鎵」（GaN）。 另外在摻雜元素及濃度的分析，則可透過宜特科技的二次離子質譜分析儀 （SIMS）的技術，圖四為 GaN on Si 的元件，先用雙束聚焦離子束（Dual beam FIB）進行剖面成份分析（EDS）判斷磊晶區域的主要成份之後，提供 SIMS 參考再進行摻雜元素 Mg 定量分析濃度的結果，作為電性調整的依據。
然而在現有以「矽（Si）」基礎的產品，因材料的物理特性已達極限，無法再提升電量、降低熱損、提升速度，因此需朝向其他更能發揮電子傳輸效率與低能耗的材料演進，而具備高能效、低能耗的第三代寬能隙（Wide Band Gap，WBG）半導體就在此背景之下因應而生。 隨著 5G、電動車時代來臨，科技產品對於高頻、高速運算、高速充電的需求上升，矽與砷化鎵的溫度、頻率、功率已達極限，難以提升電量和速度；一旦操作溫度超過 100 度時，前兩代產品更容易故障，因此無法應用在更嚴苛的環境；再加上全球開始重視碳排放問題，因此高能效、低能耗的第三代半導體成為時代下的新寵兒。 在未來更高的電力能源需求下，車載裝置除了須具備基本的高功率外，還需要極高速的充電能力以因應電力的補充，車用充電樁、5G 通訊基地台、交通運輸工具、甚至衛星太空站等更大的電力能源需求，相關的電流傳輸轉換，電傳速度的要求以及能損的降低，不得不邁向更有效率的 WBG 材料進行大規模的開發，超高功率的 SiC 元件模組需求亦會大量地被採用。 了解到前三代半導體差異後，我們接著聚焦於第三代半導體的材料──SiC 和 GaN，這兩種材料的應用領域略有不同，目前 GaN 元件常用於電壓 900V 以下之領域，例如充電器、基地台、5G 通訊相關等高頻產品；SiC 則是電壓大於 1,200 V，好比電動車相關應用。
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諸如上述介紹 WBG 寬能隙半導體 元件結構的解析之外，其它任何產品都可透過宜特實驗室的材料分析及電性、物性故障分析來尋求解答。 當然，包括因應安全要求更高的產品可靠度測試與評估，均可藉由宜特提供更完整全方位的驗證與服務。 比如磊晶製程相關的結構或缺陷分析，就可以藉由宜特科技的雙束聚焦離子束（Dual beam FIB）製備剖面樣品並進行尺寸量測或成分分析（EDS），亦可搭配穿透式電子顯微鏡（TEM）進行奈米級的缺陷觀察。
傳統的矽（Si）材料能隙約在 1eV，而目前手持式行動裝置或車用快充，分別使用的第三類半導體為氮化鎵（GaN）與碳化矽（SiC），其能隙則在 3eV 左右，約為 Si 的三倍，若是能找到更高的寬能隙材料，必定會讓我們生活變得更多采多姿。 環球晶、漢民科技、穩晟科技以及廣運集團去年和子公司太極成立「盛新材料」跨足 SiC 基板領域；台積電、世界先進、穩懋、宏捷科、環宇-KY、漢民子公司漢磊及嘉晶專攻磊晶技術與代工業務。 GaN 為橫向元件，生長在不同基板上，例如 SiC 或 Si 基板，為「異質磊晶」技術，生產出來的 GaN 薄膜品質較差，雖然目前能應用在快充等民生消費領域，但用於電動車或工業上則有些疑慮，同時也是廠商極欲突破的方向。 第一、二代半導體的矽與砷化鎵屬於低能隙材料，數值分別為 1.12 eV 和 1.43 eV，第三代（寬能隙）半導體的能隙，SiC 和 GaN 分別達到 3.2eV、3.4eV，因此當遇到高溫、高壓、高電流時，跟一、二代比起來，第三代半導體不會輕易從絕緣變成導電，特性更穩定，能源轉換也更好。
寬能隙半導體: 磊晶技術困難、關鍵 SiC 基板由國際大廠主導
如 Si 與 C 的化合物碳化矽（SiC），相關的材料能隙均可大於 3.0eV；另外，Ga 與 N 或 O 的化合物氮化鎵（GaN）或氧化鎵（Ga2O3）也分別高達 3.4eV 與 4.9eV，而鑽石（Diamond）更高達 5.4eV（表一）。 從能帶結構來說，得到的即是原子最外層價電子能帶（Valence band）結構，由此能夠測量得出「功函數φ（Work function）」或計算出半導體的游離能 IE（Ionization Energy）。 寬能隙半導體中的「能隙」（Energy gap），如果用最白話的方式說明，代表著「一個能量的差距」，意即讓一個半導體「從絕緣到導電所需的最低能量」。 因此在積體電路中的電晶體（Transistor）元件，當施加一個小電壓即能快速啟閉電源，長久以來，這個能隙（BG）較小的「矽（Si）」材料才會被大量地採用至今。 基本上要用量子物理的理論來簡單說明，在「能帶（Band）」的劃分主要為低能帶區的「價電能帶」 （Valence Band，VB），與高能帶區的「導電能帶 （Conduction Band，CB） 」兩種，在 VB 與 CB 寬能隙半導體2023 之間即是一個所謂的能帶間隙（Band Gap，BG），簡稱「能隙」（圖一）。
很多人以為，第三代半導體與先進製程一樣，是從第一、二代半導體的技術累積而來，其實不盡然。 從圖中來看，這三代半導體其實是平行狀態，各自發展技術，由於中國、美國、歐盟積極發展第三代半導體，身為半導體產業鏈關鍵之一的台灣，勢必得跟上這一趨勢。 金屬材料能夠導電，主要是因為電子都位於高能的 CB 區域內，電子可自由流動；而半導體材料在常溫下主要電子是位於低能的 VB 區域內無法流動，當受熱或是獲得足夠大於「能隙（BG）」的能量時，其 VB 內電子即可克服此能障，躍遷至 CB 而形成了導電特性。 在半導體材料領域中，第一類半導體是矽(Si)，第二類是砷化鎵(GaAs)，而目前市場所談的第三類寬能隙半導體就是指碳化矽(SiC) 和氮化鎵(GaN) 。 同樣地在 Ga2O3 這個能隙更高的材料中，也存在著不同的晶型，如α（三方, Trigonal）、β（單斜, Monoclinic）、δ（立方, Cubic）等。
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如 GaN 在以 Si 或 SiC 為基板的產品已陸續發表，目前市售的快速充電器採用的即是 GaN on Si 材料製作的高功率（如 60 瓦以上）產品，其除了功率提升外，也因為溫度與熱效應可大幅降低，使得元件可大幅縮小，充電器體積也更加玲瓏小巧，未來這在行動裝置、筆電等快充電源的應用更是潛力無窮。 一般常聽到的 GaN 製程技術應用，例如上述的 GaN RF 射頻元件及 Power GaN，都來自 GaN-on-Si 的基板技術；至於 GaN-on-SiC 基板技術，由於碳化矽基板（SiC）製造困難，技術主要掌握在國際少數廠商手上，例如美國科銳（Cree）、II-VI及羅姆半導體（ROHM）。 若以基板技術來看，GaN 基板生產成本較高，因此 GaN 元件皆以矽為基板，目前市場上的 GaN 功率元件以 GaN-on-Si（矽基氮化鎵）以及 GaN-on-SiC（碳化矽基氮化鎵）兩種晶圓進行製造。
- 比如同樣是 SiC，就有高達二百多種的結晶型態，而其中最主要的三種分別為六方晶型（Hexagonal）的 α-6H SiC 與 4H SiC 以及立方晶型（Cubic）的 β-3C SiC。
- 相較於 XPS 使用的 X 光源能量（~1KeV）小很多，因此僅會針對原子最外層的電子產生彈性碰撞，得到的會是較表層的光電子能譜。
- 另外在摻雜元素及濃度的分析，則可透過宜特科技的二次離子質譜分析儀 （SIMS）的技術，圖四為 GaN on Si 的元件，先用雙束聚焦離子束（Dual beam FIB）進行剖面成份分析（EDS）判斷磊晶區域的主要成份之後，提供 SIMS 參考再進行摻雜元素 Mg 定量分析濃度的結果，作為電性調整的依據。
- 環球晶、漢民科技、穩晟科技以及廣運集團去年和子公司太極成立「盛新材料」跨足 SiC 基板領域；台積電、世界先進、穩懋、宏捷科、環宇-KY、漢民子公司漢磊及嘉晶專攻磊晶技術與代工業務。
- 對此，本系列專題將用最淺顯易懂、最全方位的角度，帶你了解這個足以影響科技產業未來的關鍵技術。
不過，新半導體材料，在初期開發中，總是會有許多需進行研發驗證的狀況，近年，宜特就協助多家 WBG 產業的開發與生產驗證。 SiC 因具有比 Si 更好的三倍導熱率，使得元件體積又可以更小，這些特性使得它更能適合應用在電動車內。 例如，要製作 SiC 的單晶晶棒，相較 Si 晶棒的生產困難且時間緩慢很多，以及 GaN 與 Si 晶圓的晶格不匹配易生成差排缺陷（dislocation defect）等問題必須克服，導致長久以來相關的製程開發困難且花費高昂。 而第三代寬能隙半導體（Wide Band Gap，WBG）材料可以提升更高的操作電壓，產生更大的功率，並且將能損降低，另外相較矽元件的體積又可大幅縮小。 然而，當操作的溫度高於 100℃ 之後，產品就容易開始產生退化甚至故障，無法應用在更嚴苛的環境，如交通、軍事或是太空等工具的使用，尋求可耐高壓高溫的第三代寬能隙半導體（Wide Band Gap，WBG）材料才會如此必要。
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如圖三可以發現當鋁（Al）的組成 x 從 0.25 提高至 0.50，能隙又再提升 0.6eV 左右，相對地崩潰電場也些微的增加，對於功率的提昇又有更大的助益。
另外一個是使用 LEIPS 量測半導體材料的導電帶（Conduction band）結構，得到電子親合能 EA（Electron Affinity），如圖一右的半導體能帶圖，其中間的能隙值可以很容易地經由游離能（IE）減去 EA（電子親合能）而得到。 基本上，要能承受較高的電壓條件，即是半導體材料的能隙（Energy Band gap，簡稱 Eg）要夠大，才可承受更高的臨界場（Critical electric field），以達到穩定快速又更高功率的轉換與輸出。 觀察台灣在第三代半導體的布局進度，除了要先克服技術瓶頸，還面臨國外大廠發展多年、技術領先，再加上中國「十四五規劃」將砸 10 兆人民幣、在 5 年內全力發展第三代半導體，打算來個「技術大超車」。 作為半導體供應鏈關鍵要角的台灣，也已開始積極布局，盼能急起直追，在這場關鍵的第三代半導體戰役上，台灣產業有不能輸的壓力。 此外，SiC 基板原料大多仰賴國外進口，但許多國家將 SiC 材料視為戰略性資源，台廠要取得相對困難，原料價格也高；相較於 SiC、GaN-on-Si 可用於車用市場和快充，GaN-on-SiC 應用方向不夠明確，因此全力投入開發仍需要一段時間。
