2. 1 材料特性比較
2. 1. 1 功率元件與寬能隙半導體
隨著時代的進步，功率元件在市場上的需求與科技上的應用也越趨於重要。
例如在車用電子、功率切換器、基地台等等，功率元件扮演著舉足輕重的角色。
長久以來，矽半導體一直是高壓功率元件在材料上的主要選擇。然而隨著技術不 斷進步下，由於矽材料本身的電子遷移率以及臨界崩潰電場的限制，矽功率元件 的發展也逐漸逼進材料本身能表現的極限。因此該如何有效地降低特性導通電阻 ( specific on resistance, on resistance per square centimeter )並且同時提升元件的切 換速率，已經成為功率半導體研究方面非常重要的一個重要議題。為了克服材料 本身所造成的極限，寬能隙半導體(wide bandgap semiconductors)在功率元件上的 應用在近幾年來已經開始被廣泛地研究。
寬能隙半導體材料，尤其是 SiC 與 GaN，因為它擁有許多超越矽功率元件 的優點，例如操作溫度、高臨界電場、高飽和漂移速度等等，這些優勢使得他們 在功率電子中成了非常有潛力而且備受矚目的研究材料。
2. 1. 2 材料特性
在寬能隙半導體材料中以SiC 和 GaN 最受人們所期待，在本節中對這兩個 材料的特性作比較，並且同時與 Si 作一個對應比較。
一般元件在高溫下操作時，純質載子濃度(intrinsic carrier density)急劇提升，
這將使得元件漏電流上升，由式(2-1)[5]可得知，SiC 和 GaN 因為寬能隙的關係，
電子遷移率
圖2-1 比較幾種功率元件常用材料的電子飄移速率(drift velocity)對電場的關 係圖。Si 的電子速度是最慢的，飽和速度只約 5x106m/s。GaAs 雖然有很高的電 子遷移率(8500 cm/V-s)，但 GaAs 在小電場下就達到峰值速度(peak velocity)，而 且中高電場下的飽和速度甚至低於Si。至於 SiC 半導體雖然可以承受高電場，然 而電子遷移率過低(400 cm/V-s)，在峰值速度的表現亦不如 GaN 出色。由於 GaN 有不錯的電子遷移率，峰值電子速度更高達2.7x107cm/s。因此可以看出 GaN 半 導體在高速以及高功率相關應用市場的優勢與潛力。
圖2-1 300K 下Si、GaAs、SiC、GaN之電子速度對電場關係圖[1]
崩潰電場 (Breakdown Field)
GaN 的崩潰電場高達 3.5MV/cm[4]，優於 GaAs、Si、SiC。因此，氮化鎵異 質結構場效電晶體(GaN Hetero-structure Field Effect Transistors)可承受數十伏特 甚至上百伏特的高崩潰電壓。對於高電壓的應用上這是很大的優勢。
總體而言，GaN 可以說是將來最適合製作先進功率元件的半導體材料之一，
由於它的寬能隙，不錯的電子移動率、熱傳導係數與優越的崩潰電場，使它同時 兼具高速、高溫、高功率、低雜訊的優點。
2. 1. 3 臨界電場與導通電阻[2]
是電子遷移率( electron mobility, cm2/Vs )，ε是介電常數( permittivity, F/cm )，ND
是pn接面低摻雜邊的摻雜濃度(cm-3)。而臨界電場與能隙之間的關係可由式(2-2)
a n
Specific On Resistance (Ohm-cm2)
Breakdown voltage (V)
2. 2 AlGaN/GaN 異質結構場效電晶體
2. 2. 1 元件結構
圖2-3 為異質結構場效電晶體(Heterostructure Field Effect Transistor)結構示 意圖。在AlGaN 的異質界面下會形成低阻値的二維電子氣。汲極(Drain)與源極 (Source)形成歐姆接觸(Ohmic Contact)，並且透過二維電子氣當作通道來導通電 流，同時使用金屬-半導體形成的蕭特基接觸(Schottky Contact)來製作閘極。爲達 成熱平衡，在金屬接面下方的半導體會產生空乏區。空乏區大小與半導體的雜質 濃度以及外加電壓有關。施加反向電壓時，蕭特基二極體不導通。在半導體部分 的空乏區會隨反向電壓增大而增長，驅趕通道中的載子，電流降低。因此藉由調 變閘極反向電壓可調變通道的電流。
(a) ON (b) OFF
圖 2-3 異質結構場效電晶體(Heterostructure Filed Effect Transistor)結構示意圖
AlGaN/GaN HEMT 一個很大的優點就是它在異質界面下形成的二維電子 氣，由於二維電子氣使得元件能有很高的電子移動率，進而有效的大幅地降低導 通電阻與提高電流值，這對於功率元件而言是個非常吸引人的優點。
2. 2. 2 GaN 緩衝層設計
由於sapphire 基板與GaN之間有著嚴重的晶格常數不匹配(lattice mismatch) 的 問 題 ， 爲 了 得 到 良 好 的 磊 晶 品 質 與Ga-face 晶 體 ， 會 先 成 長 一 層 成 核 層 (nucleation layer)，與高達3~4 µm厚無摻雜質的氮化鎵(unintentional doped GaN) 緩衝層。目的是使磊晶層附近有最少的缺陷(defects)、差排(dislocation) 、阱 (trap)、不平整(roughness)等等，使AlGaN/GaN 結構達到最好的平整度與磊晶品 質。若氮化鎵緩衝層小於2µm 以下，表面的不平坦程度明顯，使得2DEG mobility 下降。一般來說，緩衝層設計在3 µm 以上是比較恰當的。
就電性元件而言，氮化鎵緩衝層關切的議題為：高阻質、低漏電、低背景載 子濃度。緩衝層的缺陷會成為電子或電洞的缺陷捕抓中心，而造成元件漏電情形 發生。若背景載子濃度過高，將使得緩衝層阻質降低，造成部分源極往汲極方向 的電子流經由底下的緩衝層而非經由元件主動區(mesa)。這些因素所造成的漏電 流都無法被閘極所完全控制，而使得元件截止特性不夠理想。此外背景載子濃度 過高亦導致高介面電容(junction capacitance)，影響元件高頻特性。
2. 2. 3 AlGaN layer 考量
鋁組成
鋁組成升高會增加二維電子氣濃度。對高功率元件而言，二維電子氣濃度越高才 能提供大電流操作，是一項非常重要的指標。然而太高的鋁成分會有結晶塊(grain) 並且會材料介面出現應力釋放(strain relaxation)的問題。此外鋁組成超過40-45%
時，不容易製作低阻値之歐姆接觸，一般來說鋁組成範圍在0.2到0.4之間。
Modulation doping
對於砷化鎵系列的HEMT而言，爲了得到足夠的二維電子氣載子濃度，modulation doping是必要的。但對於氮化鎵材料系統，modulation doping就並非必要。因為 極化效應就可感應出足夠的載子量，同時亦可降低impurity scattering對二維電子 氣電子遷移率的影響。此外，modulation doping會在閘級下方產生電場，導致元 件截止時，閘極穿隧漏電流(gate tunnel leakage current)增加，不易製作出高品質 的蕭特基接觸。所以通常在使用modulation doping時，通常會在上面再長一層 undoped的AlGaN，藉此改善蕭特基接觸。此外modulation doping 有助於降低歐 姆接觸電阻，這也要納入設計考量之內。
AlGaN 厚度
就AlGaN/GaN異質結構而言，AlGaN厚度直接牽涉到載子濃度、strain relaxation 與磊晶品質的問題。因此，AlGaN厚度對於元件的臨界電壓(threshold voltage)、
轉導(transconductance)以及其他相關的元件特性有相當程度的影響。因此在 AlGaN厚度的設計上必須考量這些議題與需求。合理的厚度範圍約在20nm到 30nm左右。
2. 3 高壓AlGaN/GaN HEMT的應用
圖2-4為功率半導體元件的應用操作範圍。評估GaN HEMTs的電壓與電流操 作範圍可達到一到兩千伏特與數十安培。GaN HEMTs的應用涵蓋電力供應、馬 達控制、工廠自動化和車用電子等等。
GaN region
圖2-4 GaN HEMTs的應用[3]
例如圖2-5為一個高功率驅動系統示意圖，功率系統包含直流濾波區、功率 轉換器等等，用來處理及傳送功率到不同的數位或類比端(包含數位信號處理器 DSP與微處理器等等)，這些功率轉換器一般都操作在數瓦特到數百瓦特之間，
而 且 必 須 將 不 規 律 的 直 流 輸 入(28-500V) 轉 換 成 良 好 而 且 規 律 直 流 輸 出 (1.5-12V)。為了降低在連結處的延遲、電磁雜訊、寄生(parasitics)和功率損失，
同時又要提供良好且規律的輸出，所以功率轉換器必須非常趨近他們所驅動的負 載所以又叫作接點負載節器( point of load regulators )。GaN功率元件其電壓可操
作在100-1500V以及電流操作在1-10A，同時擁有非常低的導通電阻和輸入輸出 電容，且操作溫度可以高於250℃，這些優勢對於提升功率轉換器效能有極大的 幫助。
圖2-5 功率驅動系統示意圖，GaN對不同的數位及類比負載提供功率[6]。