砷化鎵(GaAs，室溫下能隙寬度為 1.42 eV)以及磷化銦(InP，室溫下能隙寬度為 1.35 eV)材料的研究；直至 1990 年代，隨著長晶科技的進步，碳化矽(SiC，室溫下能隙 寬度為 3.25eV)以及三五族化合物半導體材料(III-V)漸漸受到重視，其優良的通道 特性以及寬能隙的優勢，使它們成為下一代電晶體的發展重點。
對於未來電晶體的發展，ITRS 技術路程規格[2]定義出現今電晶體的兩大發展 方向(圖 1.1)：微縮化(Miniaturazation)以及多樣化(Diversification)，微縮化指的是 在現有的矽材料下，對電晶體元件大小進行微縮以增加電路密度且提升運算速度，
另外降低閾值電壓(Threshold Voltage)以降低功耗亦是設計元件時須考量的面向，
主要是對邏輯電路而言；而多樣化則多指將電晶體用於類比的領域，諸如微波元
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件、高功率元件、感應器、生醫用晶片…等。微縮化的發展目前以業界為主力，
並已成功導入鰭狀場效電晶體(FinFET)架構；而多樣化方面則有多元的內容，各種 半導體材料因其特性不同，對於不同的領域有不同的優勢，研究內容可說是百家 爭鳴，本實驗室躬逢其盛，以氮化鎵(GaN)為實驗發展的一大方向。
圖 1.1 More Moore and More than Moore[2]
由表 1.1[3]可知，氮化鎵除了在電子遷移率方面不如砷化鎵以外，其他各項特 性皆優於其餘三者，其中 BFOM Ratio 為表示半導體材料在高頻、大功率元件的應 用潛力上的常用指標[4]，因此以氮化鎵發展大功率或是高頻電晶體是相當合理的 選擇。另外，雖然電子遷移率不如砷化鎵，但是由理論計算[5](圖 1.2)可發現，事 實上氮化鎵的電子速度峰值優於砷化鎵，只是峰值的位置不同，且砷化鎵於中高 電場下其飽和速度遠遜於氮化鎵，在大功率元件上沒有優勢；而相較之下，碳化 矽在能隙寬度、耐受溫度等條件均能與氮化鎵匹敵，然而電子遷移率較差的缺點
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使得其在高頻方面的應用潛力上不如氮化鎵系列的電晶體結構。
表 1.1 不同半導體材料的物理參數[3]
BFOM=Baliga figure of Merit for power transistor performance (**EG3
)
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氮化鎵的電晶體主要以氮化鎵異質接面電晶體(GaN Heterojunction Field Effect Transistor，GaN HFET)為主，在氮化鋁鎵/氮化鎵(AlGaN/GaN)或氮化銦鎵/
氮化鎵(InGaN/GaN)異質接面形成時，由於氮化物材料的自發極化(Spontaneous Polarization)及壓電極化(Piezoelectric Polarization)效應，在沒有雜質摻雜下，在 GaN 側即有高濃度的二維電子氣(2DEG)或二維電洞氣(2DHG)產生，且因通道處未有摻 雜，不受傳導時雜質散射之影響，同時具有高電子遷移率的特性，也因此 GaN HFET 常稱為氮化鎵高電子遷移率電晶體 (GaN High Electron Mobility Transistor，
GaN HEMT)。
然而 GaN HEMT 的發展仍面臨了許多的挑戰：首先，異質磊晶使得氮化物材 料缺陷密度高(Defect Density)，其次，氮化物材料本身強大的極化效應與介面缺陷 狀態(Interface States)不易控制，另外，GaN HEMT 在高工作電壓下的元件漏流或 逆壓電效應(High-voltage induced defect formation through the inverse piezoelectric effect)所造成元件可靠性不佳…等更是商業化的一大障礙[6-9]。因此，關於氮化物 半導體尚有許多課題值得進一步研究，例如：設計不同的磊晶結構以降低缺陷並 藉由磊晶結構對於極化場量進行控制、對於介面缺陷的模擬以及特性研究、增強 型元件(Enhancement Mode Device)的實現…等。
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