随着以SiC与GaN为主的第三代半导体应用逐渐落地，被视为第四代之超宽能隙氧化镓（Ga2O3）和钻石等新一代材料，成为下一波瞩目焦点，特别是Ga2O3在超高功率组件应用有着不容小觑的潜力，而其优势与产业前景又究竟为何？
Ga2O3技术原理与优势
虽然以Si基板为主的组件已主导现今科技产业之IC与相关之电子组件，然而此类产品仍面临许多极限，无论在高功率或是高频组件与系统，除不断精进结构设计外，新兴材料也推陈出新。特别是第三代半导体以SiC与GaN为主之高功率组件与系统，在大电力与高频组件上被赋给重任，更已陆续应用在相关之产业。
尽管如此，被视为第四代之超宽能隙氧化镓（Ga2O3）和钻石等新一代材料，特别是Ga2O3因其基板制作相较于SiC与GaN更容易，又因为其超宽能隙的特性，使材料所能承受更高电压的崩溃电压和临界电场，使其在超高功率组件之应用极具潜力。
上图（a）为现今常用之半导体材料所适用之频率与工作功率范围，（b）为现今常用之半导体材料其对应之能隙与崩溃电场。可发现Ga2O3应用之功率范围高达1 kW-10 kW。
Ga2O3拥有五种晶相（polymorphs）（monoclinic（β-Ga2O3），rhombohedral（α），defective spinel（γ），cubic（δ），or orthorhombic（ε）），且拥有约4.5-4.9eV的超宽能隙与临界电场（Ebr）高达8 MV/cm，相较于GaN的能隙3.4eV，SiC的能隙3.3eV都高出许多，在Barliga评价（BFOM）宽能隙半导体的系数中Ga2O3高达3444，是SiC的十倍、GaN的四倍，该系数关系着组件所能承受之最高电压，由此BFOM系数也可以看到Ga2O3在高功率组件之应用潜力。 （相关之材料特性比较如表（一）所示。）
表（一）相关之材料特性比较。
在高功率组件之应用，除其崩溃电场需够高外，在导通电阻方面也是重要参数之一。如图（二）示，Ga2O3之导通电阻也较GaN与SiC低，也因此Ga2O3在工业或是军事上作为整流器时将会是非常好的应用。
图（二）宽能隙材料其崩溃电场与导通电阻之关系图。
车用、光电都看好，应用广泛且前景可期
Ga2O3具备许多优良的特性，使其可以应用在许多方面，特别是其宽能隙特性能在功率组件上有显著的应用，诸如电动汽车、电力系统、风力发电机的涡轮等都是其应用范围。而Ga2O3的薄膜透明，不仅在光电组件方面可作为透明面板上的组件，光感与气体传感器领域也都可以是其应用范围。
也因此Ga2O3产业前景方面应用广泛，且潜力极大仍有许多样件等待被开发与商业化，可说是很具前瞻性的材料之一！
Ga2O3传感器应用现况与未来。
Ga2O3应用现况与未来。
我们离Ga2O3落地还有多远？
Ga2O3未来潜力值得期待，不过现阶段仍有许多问题有待克服。
目前Ga2O3在材料本身主要之问题为散热与P-type掺杂不易完成；散热方面，可以发现热导率（0.25 W/cm.K）相较于其他高功率材料差；SiC热导率4.9 W/cm.K，GaN热导率2.3 W/cm.K，散热问题严重的话会造成在组件操作方面接口的热崩溃，目前主要通过结构设计解决此问题，例如使用高导热系数的基板帮助分流其操作的高温。
而P-type掺杂则更为棘手，目前尚没有足够的电洞迁移率文献被发布提出，现有资料主要归纳出以下三个原因：首先因为Ga2O3在氧的共价键方面为2p轨域，拥有非常强的键结电子不容易被抢走，造成深受子态（deep acceptor state）。第二，Ga2O3中的电洞有效质量（effective mass）太高，造成平坦价带（flat valence band）边缘倾向于氧。最后，因为自由电洞的容易被自我捕捉（self-trapped）于晶格扭曲（lattice distortion）中，使扩散与低电场的漂移都不太可能去实现。这是Ga2O3目前所面临的一些问题，有待去改善以达到更多样的应用。
长晶部分，主要有floating zone（FZ）、edge defined film（EFG）、与Czochralski methods（CZ），这些方法在制作蓝宝石基板已经使用多年，因此在生产浅潜力上相较其他化合物半导体GaN和SiC，更能大量生产与降低成本。
在现今商业生产上主要应用EFG长晶法（如下图所示），此方法能生产大量且高纯度的Ga2O3芯片，在N2/O2下融化高纯度（5N）的Ga2O3Powder在Ir的坩锅中，并以每小时15 mm的速率从晶种中拉出晶棒，最后再去清洗切割，若要n-type掺杂后续再掺Sn或Si等元素。
EFG长晶法增长Ga2O3晶棒之示意图。
综观上述，Ga2O3属于新开发之材料，潜力极佳与产业应用前景可期。而现阶段仍须克服的问题，无论是在同质磊晶增长（homojunction epitaxy）或异质磊晶增长（heterojunction epitaxy），此类材料在晶相鉴定、表面形貌或平整度，甚至成分鉴定，掺杂浓度之测量，闳康科技皆可提供相关之检测服务，分析技术介绍可参考：
参考资料：1. M. Higashiwaki, K. Sasaki, A. Kuramata, T. Masui, and S. Yamakoshi, “Development of gallium oxide power devices,”Phys. Status Solidi A 211, 21–26 (2014).
2. M. Higashiwaki, K. Sasaki, A. Kuramata, T. Masui, and S. Yamakosh. “Gallium oxide (Ga2O3) metal-semiconductor field-effect transistors on single-crystal b-Ga2O3 (010) substrates”, Appl. Phys. Lett, 100, 013504 (2012)
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4. S. J. Pearton, F. Ren, M. Tadjer, and J. Kim. “Perspective: Ga2O3 for ultra-high power rectifiers and MOSFETS”, J. Appl. Phys. 124, 220901 (2018).
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（首图来源：Shutterstock）