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第三類寬能隙半導體到底在紅什麼?

宜特科技_96
・2023/10/30 ・4510字 ・閱讀時間約 9 分鐘

寬能隙半導體晶片
圖/宜特科技

半導體產業崛起,我們常聽到「能隙」這個名詞,到底能隙是什麼?能隙越寬的材料又代表什麼意義呢?
近幾年 5G、電動車、AI 蓬勃發展,新聞常說要靠第三類的「寬能隙半導體」發展,到底寬能隙半導體在紅什麼?我們一起來了解吧!

本文轉載自宜特小學堂〈第三類寬能隙半導體到底在紅什麼?〉,如果您對半導體產業新知有興趣,歡迎按下右邊的追蹤,就不會錯過宜特科技的最新文章!

宜特科技 第三類寬能隙半導體到底在閎什麼 影片連結
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什麼是能隙(Band Gap)?寬能隙又是「寬」在哪裡?

身為理組學生或是工程師,甚至是關心科技產業的一般人,對於「能隙」兩字一定不陌生,但你了解什麼是能隙嗎?

半導體能帶與能隙示意圖
半導體能帶與能隙示意圖。圖/宜特科技

能隙基本上要用量子物理的理論來跟大家說明,「能帶(Band)」的劃分主要為低能帶區的「價電能帶」(Valence Band,簡稱 VB),與高能帶區「導電能帶」(Conduction Band,簡稱 CB)的兩種,在 VB 與 CB 之間即是一個所謂的能帶間隙(Band Gap,簡稱 BG),簡稱「能隙」

能帶因電子流動產生導電特性
能帶因電子流動產生導電特性。圖/宜特科技

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)區域內而無法流動,當受熱或是獲得足夠大於能隙(BG)的能量時,價電能帶內電子就可克服此能障躍遷至導電能帶,就形成了導電特性。

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我們都知道功率等於電流與電壓加乘的正比關係,在高功率元件(Power device)的使用上如果半導體材料的能隙越寬,元件能承受的電壓、電流和溫度都會大幅提升。大眾所熟知的第一類半導體材料——矽(Si)能隙為 1.12 eV,具有成熟的技術與低成本優勢,廣泛應用於消費性電子產品;第二類半導體材料——砷化鎵(GaAs) 能隙為 1.43eV,相比第一類擁有高頻、抗輻射的特性,因此被廣泛應於在通訊領域。

為什麼需要用到第三類寬能隙半導體(Wide Band Gap,WBG)?

由於近年地球暖化與碳排放衍生的環保問題日益嚴重,世界各國都以節能減碳、綠色經濟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,因此不論是日常用品、交通運輸或軍事太空都逐步以高能效、低能耗為目標。

歐洲議會在 2023 年通過新法提高減碳目標,為 2030 年減碳 55% 的目標鋪路。國際能源署(IEA)也強建議各國企業在 2050 年前達到「淨零排放」,甚至有傳聞歐盟將通過燃油車禁售令,不論是考量環保或經濟,全球企業的綠色轉型勢在必行。因此在科技發展日新月異的同時,要兼顧大幅提升與改善現有的能源,已是大勢所趨。

目前半導體原料最大宗,是以第一類的矽(Si)晶圓的生產製造為主,但是以低能隙的半導體材料為基礎的產品,物理特性已到達極限,在溫度、頻率、功率皆無法突破,所以具備耐高溫高壓、高能效、低能耗的第三類寬能隙半導體(Wide Band Gap,WBG)就在此背景之下因應而生。

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現在有哪些的寬能隙(WBG)材料?

那麼有哪些更佳的寬能隙材料呢?目前市場所談的第三類半導體是指碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN),第三類寬能隙半導體可以提升更高的操作電壓,產生更大的功率並降低能損,相較矽元件的體積也能大幅縮小。
Si 與 C 的化合物碳化矽(SiC)材料能隙可大於 3.0eV;Ga 與 N 或 O 的化合物氮化鎵(GaN)或氧化鎵(Ga2O3)能隙也分別高達 3.4eV 與 4.9eV,大家可能沒想到的是鑽石的能隙更高達 5.4eV。

特性Si 矽SiC(4H)
碳化矽
GaN
氮化鎵
Ga2O3(β)
氧化鎵
Diamond
鑽石
能隙(eV)1.13.33.44.95.4
遷移率
(cm2/Vs)
1400100012003002000
擊穿電場強度
(MV/cm)
0.32.53.3810
導熱率
(W/cmK)
1.54.91.30.1420
半導體材料的物性比較。圖/宜特科技

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,已經應用一段時間,但受限於這類半導體材料的特性,其實生產過程充滿了挑戰。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 晶圓的晶格不匹配時,容易生成差排缺陷(Dislocation Defect)等問題必須克服,導致長久以來相關的製程開發困難及花費高昂,但第三類半導體市場潛力無窮,對於各國大廠來說仍是兵家必爭之地。

寬能隙半導體運用在那些產品上?

現在知名大廠如意法半導體、英飛凌、羅姆等,對寬能隙材料的實際運用均有相當大的突破,如氮化鎵(GaN)在以 Si 或 SiC 為基板的產品已陸續發表,而我們最常接觸到的產品,就是市售的快速充電器,採用的就是 GaN on Si 材料製作的高功率產品。

除了功率提升,因為溫度與熱效應可大幅降低,元件就可以大幅縮小,充電器體積也更加玲瓏小巧,除了已商品化的快充電源領域,第三類半導體在 AI、高效能運算、電動車等等領域的應用也是未來可期。

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(延伸閱讀:泛科學—快充怎麼做到又小又快? 半導體材料氮化鎵,突破工作頻率極限)

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,下圖可以看到各種功率元件、模組與相關材料應用的範圍,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)。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。

功率元件與相關材料的應用範圍
功率元件與相關材料的應用範圍。圖/英飛凌

SiC 具有比 Si 更好的三倍導熱率,使得元件體積又可以更小,這些特性使它更適合應用在電動車領域。特斯拉的 model3 也從原先的 IGBT ,改成使用意法半導體生產的 SiC 功率元件,應用在其牽引逆變器(Traction inverter)、直流電交互轉換器與充電器(DC-to-DC converter & on-board charger),能夠提高電能使用效率與降低能損。

特斯拉充電樁
多家車廠加入特斯拉充電網路。圖/特斯拉

在未來更高的電力能源需求下,車載裝置除了基本要具備高功率,還需要極高速的充電能力來因應電力補充,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降低能損,就必須邁向更有效率的寬能隙材料著重進行開發,超高功率的 SiC 元件模組需求亦會水漲船高。

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寬能隙半導體在開發生產階段,需進行那些驗證分析?

根據宜特的觀察,晶圓代工廠與功率 IDM 廠商正持續努力研究與開發。不過,新半導體材料在開發初期,會有許多需要進行研發驗證的狀況,近年我們已協助多家寬能隙半導體(WBG)產業的開發與生產驗證。

比如磊晶製程相關的結構或缺陷分析,就可以藉由雙束聚焦離子束(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;擴散區域的分析可經由樣品研磨製備剖面後,進行掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察以及掛載在原子力顯微鏡 (AFM) 上的偵測模組-掃描式電容顯微鏡(SCM)判別摻雜區域的型態與尺寸量測。

下圖為 SiC 的元件分析擴散區摻雜的型態,我們可以先用 SEM 觀察井區(Well)的分布位置,再經由 SCM 判斷上層分別有 N 與 P 型 Well 以及磊晶層(EPI) 為 N 型。

SEM及SCM分析的量測圖
使用 SEM 剖面觀察 SiC 元件的結構,搭配 SCM 分析 N/P 型與擴散區的量測。圖/宜特科技

另外在摻雜元素及濃度的分析,則可透過二次離子質譜分析儀(SIMS)的技術,下圖 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。

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使用 DB-FIB 觀察 GaN 元件的剖面結構與 EDS 成份分析,搭配 SIMS 分析摻雜濃度
使用 DB-FIB 觀察 GaN 元件的剖面結構與 EDS 成份分析,搭配 SIMS 分析摻雜濃度。圖/宜特科技

除了上述介紹 WBG 元件結構的解析之外,其它產品也都可以透過宜特實驗室專業材料分析及電性、物性故障分析來尋求解答,包括因應安全要求更高的產品可靠度測試與評估,藉由宜特可以提供更完整與全方位的驗證服務。

希望透過本文介紹,讓大家對第三類半導體有更進一步的了解,近期被稱為第四類半導體的氧化鎵(Ga2O3)也逐漸躍上檯面,它相較於第三類半導體碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN),基板製作更加容易,材料也能承受更高電壓的崩潰電壓與臨界電場,半導體材料的發展絕對是日新月異,也代表未來會有更多令人期待的新發現。

本文出自 www.istgroup.com。

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宜特科技_96
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地震之島的生存法則!921地震教育園區揭開台灣的防災祕密
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/20 ・4553字 ・閱讀時間約 9 分鐘

為什麼台灣會像坐在搖搖椅上,總是時不時地晃動?這個問題或許有些令人不安,但卻是我們生活在這片土地上的現實。根據氣象署統計,台灣每年有 40,000 次以上的地震,其中有感地震超過 1,000 次。2024年4月3日,花蓮的大地震發生後,台灣就經歷了超過 1,000 次餘震,這些數據被視覺化後形成的圖像,宛如台北101大樓般高聳穿雲,再次引發了全球對台灣地震頻繁性的關注。

地震發生後,許多外國媒體擔心半導體產業會受影響,但更讓他們稱奇的是,台灣竟然能在這麼大的地震之下,將傷害降到這麼低,並迅速恢復。不禁讓人想問,自從 25 年前的 921大地震以來,台灣經歷了哪些改變?哪些地方可能再發生大地震?如果只是遲早,我們該如何做好更萬全的準備?

要找到這些問題的答案,最合適的地點就在一座從地震遺跡中冒出的主題博物館:國立自然科學博物館的 921地震教育園區。

圖:跑道捕捉了地震的瞬間 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

下一個大地震在哪、何時?先聽斷層說了什麼

1999年9月21日凌晨1點47分,台灣發生了一場規模7.3的大地震,震央在南投縣集集鎮,全台 5 萬棟房子遭震垮,罹難人數超過 2,400 人。其中,台中霧峰光復國中校區因車籠埔斷層通過,地面隆起2.6公尺,多棟校舍損毀。政府決定在此設立921地震教育園區,保留這段震撼人心的歷史,並作為防災教育的重要基地。園區內兩處地震遺跡依特性設置為「車籠埔斷層保存館」和「地震工程教育館」。

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車籠埔斷層保存館建於原操場位置,為了保存地表破裂及巨大抬升,所以整體設計不採用樑柱結構,而是由82根長12公尺、寬2.4公尺、重約10噸的預鑄預力混凝板組成,外觀為曲線造型,技術難度極高,屬國內外首見,並榮獲多項建築獎。而地震工程教育館保留了原光復國中受損校舍,讓民眾親眼見證地震的驚人破壞力,進一步強調建築結構與安全的重要性。毀損教室旁設有由園區與「國家地震工程研究中心」共同策劃的展示館,透過互動展示,讓參觀者親手操作,學習地震工程相關知識。

國立自然科學博物館地質學組研究員蔣正興博士表示,面積上,台灣是一個狹長的小島,卻擁有高達近4000公尺的山脈,彰顯了板塊激烈擠壓、地質活動極為活躍的背景。回顧過去一百年的地震歷史,從1906年的梅山地震、1935年的新竹-台中地震,到1999年的921大地震,都發生在台灣西部,與西部的活動斷層有密切關聯,震源位於淺層,加上人口密度較高,因此對台灣西部造成了嚴重的災情。

而台灣東部是板塊劇烈擠壓的區域,地震震源分佈更廣。與西部相比,雖然東部地震更頻繁,但由於人口密度相對較低,災情相對較少。此外,台灣東北部和外海也是地震多發區,尤其是菲律賓海板塊往北隱沒至歐亞板塊的隱沒地震帶,至沖繩海槽向北延伸,甚至可能影響到台北下方,發生直下型地震,這種地震因震源位於城市正下方,危害特別大,加上台北市房屋非常老舊,若發生直下型地震,災情將非常嚴重。

除了台北市,蔣正興博士指出在台灣西部,我們特別需要關注的就是彰化斷層的影響,該斷層曾於1848年發生巨大錯動。此外,我們也需要留意西南部的地震風險,如 1906 年的梅山地震。此兩條活動斷層距今皆已超過 100 年沒活動了。至於東部,因為存在眾多活動斷層,當然也需要持續注意。

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我們之所以擔心某些斷層,是因為這些區域可能已經累積了相當多的能量,一旦達到臨界點,就會釋放,進而引發地震。地質學家通常會沿著斷層挖掘,尋找過去地震的證據,如受構造擾動沉積物的變化,然後透過定年技術來確定地震發生的時間點,估算出斷層的地震週期,然而,這些數字的計算過程非常複雜,需要綜合大量數據。

挑戰在於,有些斷層的活動時間非常久遠,要找到活動證據並不容易。例如,1906年的梅山地震,即使不算久遠,但挖掘出相關斷層的具體位置仍然困難,更不用說那些數百年才活動一次的斷層,如台北的山腳斷層,因為上頭覆蓋了大量沉積物,要找到並研究這些斷層更加困難。

儘管我們很難預測哪個斷層會再次活動,我們仍然可以預先對這些構造做風險評估,從過往地震事件中找到應變之道。而 921 地震教育園區,就是那個可以發現應變之道的地方。

圖:北棟教室毀損區 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

921 後的 25 年

在園區服務已 11 年的黃英哲擔任志工輔導員,常代表園區到各地進行地震防災宣導。他細數 921 之後,台灣進行的六大改革。制定災害防救法,取代了總統緊急命令。修訂了建築法規,推動斷層帶禁限建與傳統校舍建築改建。組建災難搜救隊伍,在面對未來災害時能更加自主應對。為保存文化資產,增設了歷史建築類別,確保具有保存價值的建築物得到妥善照料。

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最後,則是推行防災教育。黃英哲表示,除了在學校定期進行防災演練,提升防災意識外,更建立了921地震教育園區,不僅作為教育場所,也是跨部門合作的平台,例如與交通部氣象署、災害防救辦公室、教育部等單位合作,進行全面的防災教育。園區內保留了斷層線的舊址,讓遊客能夠直觀地了解地震的破壞力,最具可看性;然而除此之外,園區也是 921 地震相關文物和資料的重要儲存地,為未來的地震研究提供了寶貴的資源。

堪稱園區元老,在園區服務將近 19 年,主要負責日語解說工作的陳婉茹認為,園區最大的特色是保存了斷層造成的地景變化,如抬升的操場和毀壞的教室場景,讓造訪的每個人直觀地感受地震的威力,尤其是對於年輕的小朋友,即使他們沒有親身經歷過,也能透過這些真實的展示認識到地震帶來的危險與影響。

陳婉茹回憶,之前有爸媽帶著小學低年級的小朋友來參觀,原本小朋友並不認真聽講,到處跑來跑去,但當他看到隆起的操場,立刻大聲說這他在課本看過,後來便聚精會神地聽完 40 分鐘的解說。

圖:陳婉茹在第一線負責解說工作 / 圖片來源:921地震教育園區

除了每看必震撼的地景,園區也透過持續更新策展,邀請大家深入地震跟防災的各個面向。策展人黃惠瑛負責展示設計、活動規劃、教具設計等工作。她提到,去年推出的搜救犬特展和今年的「921震災啓示展」與她的個人經歷息息相關。921 大地震時的她還是一名台中女中的住宿生,當時她儘管驚恐,依舊背著腿軟的學姊下樓,讓她在策劃這些展覽時充滿了反思。

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在地震體驗平臺的設計中,黃惠瑛強調不僅要讓觀眾了解災害的破壞力,更希望觀眾能從中學到防災知識。她與設計師合作,一樓展示區採用了時光機的概念,運用輕鬆、童趣的風格,希望遊客保持積極心態。二樓的地震體驗平臺結合六軸震動臺和影片,讓遊客真實感受921地震的情境。她強調,這次展覽的目標是全民,設計上避免了血腥和悲傷的元素,旨在讓觀眾帶著正向的感受離開,並重視防災意識。

圖:地震體驗劇場 / 圖片來源:921地震教育園區

籌備今年展覽的最大挑戰是緊迫的時間。從五月開始,九月完成,為了迅速而有效地與設計師溝通,黃惠瑛使用了AI工具如ChatGPT與生成圖像工具,來加快與設計師溝通的過程。

圖:黃惠瑛與設計師於文件中討論設計/ 圖片來源:921地震教育園區

蔣正興博士說,當初學界建議在此設立地震教育園區,其中一位重要推手是法國地質學家安朔葉。他曾在台灣指導十位台灣博士生,這些博士後來成為地質研究的中堅力量。1999年921大地震後,安朔葉教授立刻趕到台灣,認為光復國中是全球研究斷層和地震的最佳觀察點,建議必須保存。為紀念園區今年成立20週年,在斷層館的展示更新中,便特別強調安朔葉的貢獻與當時的操場圖。

此外,作為 20 週年的相關活動,今年九月也將與日本野島斷層保存館簽署合作備忘錄(MOU),強化合作並展示台日合作歷史。另一重頭戲則是向日本兵庫縣人與自然博物館主任研究員加藤茂弘致贈感謝狀,感謝他不遺餘力,長期協助園區斷層保存館的剖面展品保存工作。

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右圖:法國巴黎居禮大學安朔葉教授。左圖:兵庫縣立人與自然博物館主任研究員加藤茂弘
/ 圖片來源:921地震教育園區

前事不忘,後事之師

盡力保存斷層跟受創校舍,只因不想再重蹈覆徹。蔣正興博士表示,921地震發生在車籠埔斷層,其錯動形式成為全球地質研究的典範,尤其是在研究斷層帶災害方面。統計數據顯示,距離車籠埔斷層約100公尺內,住在上盤的罹難率約為1%,而下盤則約為0.6%。這說明住在斷層附近,特別是上盤,是非常危險的。由於台灣主要是逆斷層活動,這一數據清楚告訴我們,在上盤區域建設居住區應特別小心。

2018年花蓮米崙斷層地震就是一個例證。

在921地震後,政府在斷層帶兩側劃設了「地質敏感區」。因為斷層活動週期較長,全球大部分地區難以測試劃設敏感區的有效性,但台灣不同,斷層活動十分頻繁。例如 1951 年,米崙斷層造成縱谷地震,規模達 7.3,僅隔 67 年後,在 2018 年再次發生花蓮地震,這在全球是罕見的,也因此 2016 年劃設的地質敏感區,在 2018 年的地震中便發現,的確更容易發生地表破裂與建築受損,驗證了地質敏感區劃設的有效性。

圖:黃英哲表示曾來園區參訪的兒童寄來的問候信,是他認真工作的動力 / 圖片來源:921地震教育園區

在過去的20年裡,921地震教育園區不僅見證了台灣在防災教育上的進步,也承載著無數來訪者的情感與記憶。每一處地震遺跡,每一項展示,都在默默提醒我們,那段傷痛歷史並未走遠。然而,我們對抗自然的力量,並非源自恐懼,而是源自對生命的尊重與守護。當你走進這座園區,感受那因地震而隆起的操場,或是走過曾經遭受重創的教室,你會發現,這不僅僅是歷史的展示,更是我們每一個人的責任與使命。

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來吧,今年九月,走進921地震教育園區,一起在這裡找尋對未來的啓示,為台灣的下一代共同築起一個更堅固、更安全的家園。

圖:今年九月,走進921地震教育園區 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

延伸閱讀:
高風險? 家踩「斷層帶、地質敏感區」買房留意
「我摸到台灣的心臟!」法國地質學家安朔葉讓「池上斷層」揚名國際
百年驚奇-霧峰九二一地震教育園區|天下雜誌

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「光」革新突破半導體極限 矽光子晶片即將上陣
宜特科技_96
・2024/09/22 ・3808字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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矽光子是近年熱門議題,晶圓大廠計劃將先進封裝整合 CPO 及矽光子技術,預計兩年後完成並投入應用。早在 2020 年,Intel  就指出矽光子將是先進封裝發展的關鍵,如今矽光子已真正成為半導體產業的核心研發方向。面對這次「電」轉「光」的新革命,您準備好了嗎?

本文轉載自宜特小學堂〈光革新突破半導體極限 矽光子晶片即將上陣〉,如果您對半導體產業新知有興趣,歡迎按下右邊的追蹤,就不會錯過宜特科技的最新文章!

隨著半導體積體電路技術的不斷發展,我們見證了摩爾定律的演進,元件尺寸的微縮和新材料的應用,都是為了提高單位面積內的元件數量,以加速 IC 的運算速度,同時改善散熱效能和節省能源。然而,隨著尺寸的微縮接近物理極限,製程技術面臨挑戰,良率問題也隨之浮現。

因應這一挑戰,專家開始探索將不同功能的 IC 集合成單一晶片、採用 3D 堆疊封裝技術等新途徑,但這些技術的核心仍然是用金屬線連接各個元件。自從晶片問世以來,「電子」一直是主要的訊號傳輸媒介,它的傳輸速度直接決定了晶片的性能。近年來高效能運算(HPC)、人工智慧(AI)、雲端數據等需求爆炸性成長,如何能突破限制實現更高效能的傳輸呢?於是大家把目光轉向了「光子」,藉由更快速的「光子」引入,是否可以加快元件的運作呢?

什麼是矽光子(Silicon photonics,簡稱 SiPh)?

矽光子(Silicon photonics,簡稱 SiPh) 是一種結合電子與光子的技術,是將光路微縮成一小片晶片,利用光波導在晶片內傳輸光信號。若能將處理光訊號的光波導元件整合到矽晶片上,同時處理電訊號和光訊號,便可達到縮小元件尺寸、減少耗能、降低成本的目標,但目前矽光子仍有許多技術難題需克服。

光通訊運用的「光纖」系統,能於世界各地以每秒數萬億 bit 的速度傳送數據,1968 年貝爾實驗室工程師很早就想到了。到了 21 世紀初發現光子技術不僅能在國與國之間做數據的傳遞,亦可在數據中心甚至是 CPU 之間,乃至於在晶片與晶片之間做數據傳輸。之所以採用「光」是因為玻璃(SiO2)對於光來說是透明的,不會發生干擾的現象,基本上,可以透過在 SiO2 中,結合能夠傳遞電磁波的光波導(Waveguide)通路來高速地傳輸數據。

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而矽(Si)材料的折射率(Refractive index)對比在紅外線的波長下高達 3.5,這也意味著,它比許多其他光學中所用的材料,更能有效地控制光的彎折或減速。一般光學傳輸的波長是 1.3 和 1.55 微米,在這兩個波段下矽材料不會吸收光線,因此光線能夠直接穿透矽材料。這種相容性使矽基設備能夠長距離傳輸大量數據,不會明顯失去訊號。

因此,矽光子技術透過原本 CMOS 矽(Si)的成熟技術,結合光子元件製程,可以使處理器核心之間的資料傳輸速度提高數百倍以上,且耗能更低;CPO(共同封裝光學)則是利用矽光子技術,將光通訊元件和交換器做整合,放在同一個模組內,這樣能縮短傳輸路徑,並在高速傳輸時,降低延遲與功耗。現今各大廠的目標是透過CPO和矽光子,實現更高效的光電封裝整合,大幅提升傳輸性能。

除了前面提到高效運算跟人工智慧需求不斷增加,光學雷達、生醫感測也非常適合使用光子元件,世界前幾大 IC 製造商都相繼發表矽光子是未來 IC 技術的關鍵及趨勢,本文將與大家分享相關文獻,了解矽光子元件組成與決定效能的關鍵。

矽光子元件組成,材料以「鍺」為首選

矽光子元件的基本組成是使用能將「光」轉換成「電」訊號的 p-i-n diode(PIN二極體)光電偵測器,加上傳輸訊號的光波導(Wave guide)與電訊號轉成光子的調變器(Modulator)、耦合器(Coupler)等所組合成的一個單晶片,斷面的結構大致如圖一所示。

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圖一:完整的 CEA LETI 矽光子單晶片平台用於結合被動和主動作用元件的橫剖面示意圖。[1]

其中最關鍵的製造技術即在圖一最右側 PIN 二極體,首選的半導體材料為鍺(Ge),因為鍺具有準直接能隙(Quasi-Direct band gap)且僅有 0.8eV 小於光子能量,能夠有效吸收光並轉換成電訊號,並且對於光的吸收係數很高,更適合用於光電偵測器,是一種非常好的取代材料。

PIN 是由一組高摻雜P (p+)型區和N (n+)型區之間夾著一層本質(Intrinsic)區所組成。在負偏壓下二極體的空乏寬度(Depletion width, Wd)會擴展至整個本質層。如圖二下能帶結構所示,當入射到本質層中的光子被吸收後,於導電和價電帶間產生電子–電洞對的漂移而形成電流。在矽光子元件的研發中最重要的方向,就是在不影響常規 CMOS 元件的特性下透過調整光電偵測器 PIN 的製程,且能使效能與頻寬達到最佳化。

圖二:PIN 二極體與負偏壓下受光效應產生的能帶結構示意圖。[2]

如何辨別 Ge-PIN 的品質?

先以圖三簡單的說明一顆單晶片的設計,Ge-PIN 光電偵測器與 Si -光波導的相對位置,(a)圖為剖面結構示意圖,光波導位於本質層下方,(b)圖為正面 Layout。

圖三:光子元件中 PIN 偵測器與光波導之(a)剖面結構相對位置圖,(b)為正面 Layout。[3]

因為 Ge-PIN 的品質差異會影響到偵測器的光電效能,鍺(Ge)的磊晶製程與 矽(Si)之間會有晶格不匹配與離子植入產生的差排缺陷等影響品質,圖四是Ge-PIN藉由穿透式電子顯微鏡(TEM)的觀察,可以明顯看出在本質層(Intrinsic)與 P 區均呈現亮區,代表沒有明顯缺陷,反觀在右側的 N 區則呈現暗灰色,這應該是源自於離子植入製程所產生的晶格缺陷。(延伸閱讀:破解半導體差排軌跡  TEM 技術找出晶片漏電真因

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圖四:TEM 觀察 Ge-PIN 的斷面結構影像。[4]

此外,藉由 EDS 來分析波導中的矽(Si)是否有朝向 Ge-PIN 擴散的情形。圖五為鍺(Ge)層中沿著波導方向矽(Si)的含量分佈。矽(Si)摩爾百分比從接觸窗(Window)最高約 35%,向輸入側減少至低於 EDS 檢測極限的 2%,約是在 11mm 的位置處,表示發生明顯的擴散現象。

圖五:EDS 分析從接觸窗(0mm)到光電偵測器的輸入端(15mm)矽(Si)的分佈。[5]

如何觀察影響光電偵測器效能空乏區寬度的大小?

矽光子元件主要是採用與矽基產品相同的 CMOS製程,藉由掃描電容顯微鏡(SCM)的分析技術可以量測 PIN 在不同製程條件下,觀察本質層中空乏區寬度(Wd)的變化,圖六說明經由 SCM 二維載子分布圖(Mapping)影像以及從一維載子線分佈(Line Profile),分別能區分 P/N 接面(Junction)的位置與 Wd 的示意圖。

圖六:PIN 的斷面 SCM 2D  載子 mapping  影像與 1D line profile。 [6]

圖七:在圖三(B)中 x3 位置的斷面 SCM (a)2D mapping 影像與(b)1D Line profile。 [7]

在圖三中 X3 與 X4 兩位置區域的剖面 SCM 一維載子分布的結果於圖八中,可以量得 p/n 接面位置偏移了約 215nm (兩條虛線間距)。上述都是透過 SCM,可觀測出空乏區寬度(Wd)的變化,而空乏區的寬度決定電流流過的多寡,將會直接影響到元件品質與性能。

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圖八:SCM 一維載子分布圖顯示 X3 和  X4 兩位置之間的 p/n 接面位置的偏移。[8]

本文中談到離子植入產生的晶格缺陷或是矽波導朝向本質層擴散現象,以及 N/P dopant 擴散速率的差異影響 Wd 寬度等,這些要素皆決定了矽光子元件的品質,都是目前研發單晶片矽光子製程技術,所需面對的課題。

此外,在設計 Waveguide 材料或形狀,以及其他相關製程的研發中,均可藉由奈米材料分析技術如 TEM、EDS 與 SCM 等,宜特科技擁有大量材料分析實戰經驗,可以提供客戶有效的濃度分布的數據分析,並以此依據改善研發製程細節。

事實上,現有相關矽光子產品大多是將數位交換晶片與光收發模組(Transceiver)利用先進封裝包裝在一起,就是使用我們前面所說的 CPO(Co-Packaged Optics)的方式來商品化,但這種產品仍有能耗與體積的問題,未來採用「矽光子單晶片」才能真正達到短小節能的目標,矽光子技術可以提供高速、節能的整合解決方案,從而徹底改變資料中心、人工智慧、電信、感測和成像以及生物醫學應用等行業。

宜特科技長期觀察半導體產業趨勢,我們認為儘管矽光子技術存在整合和設備製造相關的挑戰,相信各家大廠仍會持續加速研發腳步,在全球共同努力下,突破摩爾定律關鍵技術的誕生終將指日可待。

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本文出自 宜特科技

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揭密突破製程極限的關鍵技術——原子層沉積
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/08/30 ・3409字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 ASM 委託,泛科學企劃執行。 

以人類現在的科技,我們能精準打造出每一面牆只有原子厚度的房子嗎?在半導體的世界,我們做到了!

如果將半導體製程比喻為蓋房子,「薄膜製程」就像是在晶片上堆砌層層疊疊的磚塊,透過「微影製程」映照出房間布局 — 也就是電路,再經過蝕刻步驟雕出一格格的房間 — 電晶體,最終形成我們熟悉的晶片。為了打造出效能更強大的晶片,我們必須在晶片這棟「房子」大小不變的情況下,塞進更多如同「房間」的電晶體。

因此,半導體產業內的各家大廠不斷拿出壓箱寶,一下發展環繞式閘極、3D封裝等新設計。一下引入極紫外曝光機,來刻出更微小的電路。但別忘記,要做出這些複雜的設計,你都要先有好的基底,也就是要先能在晶圓上沉積出一層層只有數層原子厚度的材料。

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現在,這道薄膜製程成了電晶體微縮的一大關鍵。原子是物質組成的基本單位,直徑約0.1奈米,等於一根頭髮一百萬分之一的寬度。我們該怎麼精準地做出最薄只有原子厚度,而且還要長得非常均勻的薄膜,例如說3奈米就必須是3奈米,不能多也不能少?

這唯一的方法就是原子層沉積技術(ALD,Atomic Layer Deposition)。

蓋房子的第一步是什麼?沒錯,就是畫設計圖。只不過,在半導體的世界裡,我們不需要大興土木,就能將複雜的電路設計圖直接印到晶圓沉積的材料上,形成錯綜複雜的電路 — 這就是晶片製造的最重要的一環「微影製程」。

首先,工程師會在晶圓上製造二氧化矽或氮化矽絕緣層,進行第一次沉積,放上我們想要的材料。接著,為了在這層材料上雕出我們想要的電路圖案,會再塗上光阻劑,並且透過「曝光」,讓光阻劑只留下我們要的圖案。一次的循環完成後,就會換個材料,重複沉積、曝光、蝕刻的流程,這就像蓋房子一樣,由下而上,蓋出每個樓層,最後建成摩天大樓。

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薄膜沉積是關鍵第一步,基底的品質決定晶片的穩定性。但你知道嗎?不只是堆砌磚塊有很多種方式,薄膜沉積也有多樣化的選擇!在「薄膜製程」中,材料學家開發了許多種選擇來處理這項任務。薄膜製程大致可分為物理和化學兩類,物理的薄膜製程包括蒸鍍、濺鍍、離子鍍、物理氣相沉積、脈衝雷射沉積、分子束磊晶等方式。化學的薄膜製程包括化學氣相沉積、化學液相沉積等方式。不同材料和溫度條件會選擇不同的方法。

二氧化矽、碳化矽、氮化矽這些半導體材料,特別適合使用化學氣相沉積法(CVD, Chemical Vapor Deposition)。CVD 的過程也不難,氫氣、氬氣這些用來攜帶原料的「載氣」,會帶著要參與反應的氣體或原料蒸氣進入反應室。當兩種以上的原料在此混和,便會在已被加熱的目標基材上產生化學反應,逐漸在晶圓表面上長出我們的目標材料。

如果我們想增強半導體晶片的工作效能呢?那麼你會需要 CVD 衍生的磊晶(Epitaxy)技術!磊晶的過程就像是在為房子打「地基」,只不過這個地基的每一個「磚塊」只有原子或分子大小。透過磊晶,我們能在矽晶圓上長出一層完美的矽晶體基底層,並確保這兩層矽的晶格大小一致且工整對齊,這樣我們建造出來的摩天大樓就有最穩固、扎實的基礎。磊晶技術的精度也是各公司技術的重點。

雖然 CVD 是我們最常見的薄膜沉積技術,但隨著摩爾定律的推進,發展 3D、複雜結構的電晶體構造,薄膜也開始需要順著結構彎曲,並且追求精度更高、更一致的品質。這時 CVD 就顯得力有未逮。

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並不是說 CVD 不能用,實際上,不管是 CVD 還是其他薄膜製程技術,在半導體製程中仍占有重要地位。但重點是,隨著更小的半導體節點競爭愈發激烈,電晶體的設計也開始如下圖演變。

圖/Shutterstock

看出來差別了嗎?沒錯,就是構造越變越複雜!這根本是對薄膜沉積技術的一大考驗。

舉例來說,如果要用 CVD 技術在如此複雜的結構上沉積材料,就會出現像是清洗杯子底部時,有些地方沾不太到洗碗精的狀況。如果一口氣加大洗碗精的用量,雖然對杯子來說沒事,但對半導體來說,那些最靠近表層的地方,就會長出明顯比其他地方厚的材料。

該怎麼解決這個問題呢?

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CVD 容易在複雜結構出現薄膜厚度不均的問題。圖/ASM

材料學家的思路是,要找到一種方法,讓這層薄膜長到特定厚度時就停止繼續生長,這樣就能確保各處的薄膜厚度均勻。這種方法稱為 ALD,原子層沉積,顧名思義,以原子層為單位進行沉積。其實,ALD 就是 CVD 的改良版,最大的差異在所選用的化學氣體前驅物有著顯著的「自我侷限現象」,讓我們可以精準控制每次都只鋪上一層原子的厚度,並且將一步驟的反應拆為兩步驟。

在 ALD 的第一階段,我們先注入含有 A 成分的前驅物與基板表面反應。在這一步,要確保前驅物只會與基板產生反應,而不會不斷疊加,這樣,形成的薄膜,就絕對只有一層原子的厚度。反應會隨著表面空間的飽和而逐漸停止,這就稱為自我侷限現象。此時,我們可以通入惰性氣體將多餘的前驅物和副產物去除。在第二階段,我們再注入含有 B 成分的化學氣體,與早已附著在基材上的 A 成分反應,合成為我們的目標材料。

透過交替特殊氣體分子注入與多餘氣體分子去除的化學循環反應,將材料一層一層均勻包覆在關鍵零組件表面,每次沉積一個原子層的薄膜,我們就能實現極為精準的表面控制。

你知道 ALD 領域的龍頭廠商是誰嗎?這個隱形冠軍就是 ASM!ASM 是一家擁有 50 年歷史的全球領先半導體設備製造廠商,自 1968 年,Arthur del Prado 於荷蘭創立 ASM 以來,ASM 一直都致力於推進半導體製程先進技術。2007 年,ASM 的產品 Pulsar ALD 更是成為首個運用在量產高介電常數金屬閘極邏輯裝置的沉積設備。至今 ASM 不僅在 ALD 市場佔有超過 55% 的市佔率,也在 PECVD、磊晶等領域有著舉足輕重的重要性。

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ASM 一直持續在快速成長,現在在北美、歐洲、及亞洲等地都設有技術研發與製造中心,營運據點廣布於全球 15 個地區。ASM 也很看重有「矽島」之稱的台灣市場,目前已在台灣深耕 18 年,於新竹、台中、林口、台南皆設有辦公室,並且在 2023 年於南科設立培訓中心,高雄辦公室也將於今年年底開幕!

當然,ALD 也不是薄膜製程的終點。

ASM 是一家擁有 50 年歷史的全球領先半導體設備製造廠商。圖/ASM

最後,ASM 即將出席由國際半導體產業協會主辦的 SEMICON Taiwan 策略材料高峰論壇和人才培育論壇,就在 9 月 5 號的南港展覽館。如果你想掌握半導體產業的最新趨勢,絕對不能錯過!

圖片來源/ASM

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