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表 3 氮化鎵、砷化鎵、磷化銦、碳化矽、矽之材料參數比較 [24]
3-1 氮化鋁鎵/氮化鎵(AlGaN/GaN) HEMT 介紹
3-1-1 氮化鋁鎵/氮化鎵(AlGaN/GaN) HEMT 原理
氮化鋁鎵/氮化鎵高電子移導率場效電晶體的操作原理是經由氮
化鋁鎵與氮化鎵費米能階的不同並配合氮化鎵材料特有的極化特性來 產生二維電子氣。二維電子氣顧名思義只有二個維度的空間方向可移 動，意即只可在一個平面上移動，而不能在垂直此平面的方向上移動，
舉個自然界中的例子，自然界中也有這種類似二維電子氣的物質，如石 墨，如果在石墨上沿著石墨片方向量測電阻會遠小於在石墨片與片之
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間的電阻。在二維電子氣中運動的特性比三維的特性清楚，且在其中運 動的迴旋軌道也是量子化的，電子只能處於分立的能階中。二維電子可 由改變半導體表面的位能製造出來，形成一個像三角形一樣的位能井。
氮化鋁鎵的能隙約為 3.62~4.35 eV，氮化鎵的能隙則為 3.4 eV，當 此兩種材料用磊晶的方式緊鄰在一起時，在材料相接處的界面會因為 能隙位置的不同產生導帶不連續(conduction band discontinuities)，進而 產生三角形的位能井。如圖 1 (a) 所示，氮化鋁鎵/氮化鎵因為能隙的 不同而產生二維電子氣的位能井，在適合功函數的金屬與氮化鋁鎵形 成接觸面之後，費米能階位能高於二維電子氣的位能井，電子在這個二 維的面移動，當金屬外加一個位能，使得費米能階下降至二維電子氣位 能井以下，見圖 1 (b)，則電子將無法利用此位能井遷移。如圖 2 所示，
若能確定電子是在此位能井的平面中移動，就可以利用表面閘極所賦 予的電壓來調節費米能階的位置，進而控制位能井中電子濃度，這就是 氮化鋁鎵/氮化鎵高電子移導率場效電晶體的工作原理。
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(a) 費米能階高於 2DEG 位能井
(b) 費米能階低於 2DEG 位能井
圖 1 氮化鋁鎵/氮化鎵接面能帶圖
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(a)
(b)
圖 2 氮化鋁鎵/氮化鎵高電子移導率場效電晶體工作原理
由於現在的成長技術很進步，我們可利用有機金屬化學氣相沉積 法(metalorganic chemical vapor deposition, MOCVD)或者分子束磊晶法 (molecular beam epitaxy, MBE)來控制原子，將原子一層層慢慢磊晶上去，
所以我們可以利用兩種不同材料彼此能隙的不同在異質接面處造成能 帶的突然突起，而造成我們要的三角形位能井。
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3-1-2 極化效應原理
形成二維電子氣機制的條件，除了異質接面因能隙的不同所造成 的位能井以外，還有一個條件就是極化效應。圖 3 為 Wurtzite(六方纖 鋅礦)磊晶結構，氮化鎵即屬於此類磊晶結構，此種磊晶為垂直方向非 對稱式的結構，其特色就是在垂直方向有較大的極化效應。
圖 3 Wurtzite 磊晶結構圖
極化效應又可以分為二類，其中一類為自發極化(spontaneous polarization)，而另一類則為壓電極化(piezoelectric polarization)。圖 4 中 原子的長晶方向沿著[0001]方向且表面為鎵原子層，此種磊晶稱為
Ga-14
face 結構，c0為[0001]方向同族原子之間在熱平衡下的距離，a0則是平 行基板方向原子與原子之間的最小距離。表 4 為氮化物的自發極化係 數(PSP)，其中氮化鎵的 PSP =-0.029 C/m2，自發極化正向與[0001]同方 向，因此氮化鎵的自發極化係數經計算之後為負數，表示其極化方向指 向基板，而氮化鋁鎵的自發極化係數介於氮化鋁與氮化鎵之間，所以其 極化的方向和氮化鎵相同，皆為[0001]的反方向。
圖 4 氮化鎵磊晶結構圖
For Al
xGa
1-XN/GaN：
lattice constants：
a
0(x)=(-0.077x+3.189)10-10 m ,( 3.1 a~b)
c
0(x)=(-0.203x+5.189) 10-10 m ,15
elastic constants:
C13(x)=(5x+103) GPa ,
( 3.2 a~b) C33(x)=(-32x+405) GPa ,
spontaneous polarization :
PSP(x)=(-0.052x-0.029) C/m2 . ( 3.3)
表 4 氮化物晶格常數、自發極化、壓電極化和介電常數[25]
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圖 5 氮化物壓電極化係數[25]
決定極化大小的另一個值是壓電極化係數，壓電極化是由於材 料之間晶格常數不同所造成的極化效應，圖5為氮化物材料的壓電極化 係數(PPE)，可以看出氮化物的壓電極化係數皆遠大於自發極化係數，因 此氮化鋁鎵/氮化鎵是由壓電極化主導元件的特性。從圖5可知氮化鋁鎵 的晶格常數為3.1~3.2(Å )之間，氮化鎵為3.2(Å )，其氮化鋁鎵所產生的是 拉伸應力(Tensile Stress)，如圖6。
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圖 6 晶格常數不匹配所產生的張應力
計算壓電極化係數表示為
(3.4)
其中e31、e33為壓電係數，C13、C33為彈性係數，其中a0為晶體在不受任 何應變作用下的晶格常數，a為應變後的晶格常數。式 3.4 中(e31-e33
C
13/C
33)經計算後，氮化鋁鎵與氮化鎵材料皆為負值，當材料受到拉伸應力 時，2(a-a0/ a0)項為正值，反之若2(a-a0/ a0)為壓縮應力則為負值。氮化鋁 鎵晶格常數較氮化鎵小產生拉伸應力，其壓電極化係數為負值，形成向18
下的極化效應。綜合氮化鋁鎵/氮化鎵材料的自發與壓電極化，其極化 效應皆指向基板，因此在二維電子氣的位能井會產生電子。
圖 7 AlGaN 成長於 GaN 壓電效應產生示意圖
3-1-3
氮化鋁鎵/氮化鎵(AlGaN/GaN) [HEMT 崩潰電壓與
導通電阻原理
在一個均勻摻雜濃度的材料中，導通電阻表示為:
(3.5) 其中VBR2/Ron 稱作功率元件象徵性指標(power device figure of merit) 或是 BFOM 來代表原始的公式。
電子傳輸是在氮化鋁鎵/氮化鎵異質通道接面處所產生的二維 電子雲，在這我們先假設是一個完全沒有摻雜的氮化鎵高速電子移導
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率電晶體，電子在通道中是靠強大的極化電場在氮化鋁鎵所感應出表 面類施體(donor-like)[26][27]和表面空缺陷(trap)遺留正電荷所造成，如 圖8。2DEG濃度可在沒有任何內部摻雜的情況下可達1×1013~4×1013 cm
-2 和氮化鋁鎵中鋁的濃度相關[28]，假設HEMT中閘極寬度為Wg，汲極 到源極距離為Lds，2DEG濃度為ns，導通電阻可表示為:
(3.6)
圖 8 電荷在氮化鋁鎵/氮化鎵分佈情形
在元件的崩潰特性上可參考圖9，氮化鎵HEMT操作在閘極偏壓 在截止時(pinch-off)和汲極偏壓為正時(元件關閉狀態off-state)，電子會 從閘極注入到表面traps，表面的traps 會被電子注入所填滿，通道內電
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荷以垂直式空乏以保持元件內部電中性，在橫向來看，汲極偏壓在電中 性下會產生一個衡量的電場Ex，這跟其他矽(或是碳化矽)不同材料所 製作電晶體不同的是在Ex不是靠橫向空乏摻雜濃度所積分出來的電場。
。
圖 9 關閉狀態的GaN HEMT
極化電場Ep在氮化鋁鎵中是非常強勁，Ep 有數個MV/cm 所以 在電場的分析上是不可以忽略的，因此，在空乏區中所有的電場包含 Ex=Vgd/dl(橫向)與Ep(垂直): Etot2=Ep2+Ex2。假設在閘極與汲極區域間 偏壓在崩潰點，所有都是空乏區，Ex=VBR/Lgd 與Etot相當於Ec(在氮化鋁 鎵的臨界電場)，在與式(3.7)與Lgd≒Lds，導通電阻可表示為:
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圖10 氮化鎵導通電阻與崩潰電壓關係圖
在許多例子中，氮化鎵高電子移導率電晶體的崩潰電壓定義為 次臨限電壓(subthreshold)汲極電流超越1mA/mm。次臨限電壓汲極電 流發生的情況由兩種漏電流主宰：塊材穿衝(punch-through)[15][32]和蕭 特基閘極反偏穿隧漏電流(schottky-gate reverse bias tunneling leakage current)[33][34]。抑制以上敘述的兩種漏電流就能增強元件的崩潰電壓 提升性能。
3-2 氮化鋁鎵/氮化鎵(AlGaN/GaN) HEMT 之特性
氮 化 鎵 (GaN)與 矽 (Si)、 碳 化 矽 (SiC)等 元 件 之 間 的 差 異 為
元 件 的 基 本「 型 態 」，圖 11 所 示 為 使 用 氮 化 鎵 (GaN)電 子 元 件 的 一 般 結 構 ， 電 晶 體 包 含 源 極 、 閘 極 及 汲 極 等 3 種 電 極 ， 矽 (Si)、
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碳 化 矽 (SiC)元 件 一 般 所 採 用 的 電 極 結 構 為「 垂 直 型 」，亦 即 源 極 與 閘 極 位 於 同 一 面，汲 極 位 於 基 板 側，而 氮 化 鎵 (GaN)則 採 用 源 極、閘 極 和 汲 極 等 電 極 全 部 在 同 一 面 的「 水 平 型 」結 構，目 前 業 界 大 多 以 此 種「 水 平 型 」結 構 為 研 究 對 象，採 用「 水 平 型 」結 構 的 理 由 為 利 用 存 在 於 氮 化 鋁 鎵 - 氮 化 鎵 (AlGaN/GaN) 界 面 中 的 2D 電 子 氣 體 (2DEG)作 為 電 流 路 徑 [35]。
圖 11 氮 化 鎵 電 晶 體 組 件 結 構
2D 電 子 氣 體 (2DEG)電 子 遷 移 率 極 高 (約 1500 cm2/Vs)，
因 此 能 達 到 非 常 快 的 切 換 速 度 。 但 相 對 地 ， 因 電 子 通 過 路 徑 隨 時 存 在 ， 即 使 閘 極 電 壓 0V， 電 流 仍 會 通 過 ， 因 此 被 稱 之 為 「 常
開 (Normal ON)元 件 」。 ROHM 所 研 發 的 常 開 (Normal ON)型 元 件 特 性 ， 閘 極 寬 度 為 9.6cm。 ROHM 以 維 持 其 高 頻 特 性 作 為 目 標 ， 研 究 中 發 現 到 常 開 型 元 件 具 備 了 極 為 優 異 的 動 作 特 性 。 其 中 的 td(on)、 tr、 td(off)、 tf 等 特 性 指 標 代 表 其 高 速 性 。 由 於 常
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開 型 元 件 在 閘 極 出 現 負 電 壓 時 ， 元 件 將 被 關 閉 ， 0V 時 元 件 才 會 開 啟 。 因 此 若 以 閘 極 電 壓 訊 號 OFF(元 件 開 始 準 備 開 啟 )時 為 t=0， 以 源 極 ／ 汲 極 間 電 壓 Vds 降 至 施 加 電 壓 90%所 需 的 時 間 為 td(on)， 由 90%降 至 10%所 需 的 時 間 為 tr， 或 是 以 閘 極 電 壓 ON 時 (元 件 開 始 準 備 關 閉 )為 t=0， Vds 增 加 至 施 加 電 壓 10%所 需 的 時 間 為 td(off)， 而 10%增 加 至 90%所 需 的 時 間 則 以 tf 標 示 之 。 以 市 面 上 的 矽 (Si)功 率 元 件 來 說 ， td(on)、 tr、 td(off)、 tf 值 大 多 在 10 ns ~100 ns 左 右 ， 而 氮 化 鎵 高 速 電 子 遷 移 率 場 效 晶 體 (GaN-HEMT)的 數 值 全 部 都 是 數 ns。 因 此 ， 除 了 常 開 (Normal ON)這 個 問 題 外 ， 氮 化 鎵 (GaN)的 確 具 有 絕 佳 高 速 動 作 特 性 。 如
何 讓 元 件 常 閉 (Normal OFF)， 幾 乎 為 所 有 的 應 用 產 品 的 設 計 前 提 ， 唯 有 改 善 此 種 具 有 絕 佳 高 頻 特 性 的 常 開 型 元 件 特 性 ， 並 思
考 其 應 用 領 域 方 能 將 氮 化 鎵 (GaN)效 用 發 揮 到 極 致 。
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