5. 1 試片結構
本次實驗採用的元件結構如圖5-1 所示，由下而上結構依序為：Sapphire 基 板、緩衝層、3μm undoped GaN、3nm undoped AlGaN、20nm Si doped AlGaN (掺 雜濃度為 2×1018 cm-3)，最後是 5nm undoped AlGaN cap layer。結構中的 AlxGa1-xN，鋁的成分是 0.25。經霍爾量測結果，通道二維電子氣載子濃度為 1.12
×1013 cm-2，電子遷移率為1340 cm2/V-s。
圖5-1 試片結構圖
5. 2 元件直流特性
5. 2. 1 直流特性分析
圖5-2 為線形結構，閘極寬度(Wg) 75μm 之順向偏壓下蕭特基特性。圖 5-3
為環形結構，閘極寬度(Wg) 400μm 之順向偏壓下蕭特基特性。圖 5-4 為矩形結 構，閘極寬度(Wg) 600μm 之順向偏壓下蕭特基特性。(本實驗元件的閘極長度皆 為2μm，閘極對源極長度皆為 2μm)
首先先觀察閘極寬度(Wg) 為 75μm 之線形結構無外加場效電板的元件。圖 5-5(a)、(b)、(c)、(d)分別是在汲極對閘極長度(Lgd) 8μm、12μm、16μm 以及 20μm 下的汲極電流對汲極電壓的關係圖(Id-Vd圖)。在 Vg = 1V 時之最大電流分別是 20.5mA、21.5mA、21.8mA 以及 22.8mA。一般來說相同的元件，隨著汲極對閘 極長度越大，汲極對閘極的等效阻質隨著增加，應當要有較小的電流，而在這裡 此現象並不明顯，主是因為晶片本身磊晶品質上區域性的差異所造成。
圖 5-6(a)、(b)、(c)、(d)線形閘極結構無場效電板，汲極對閘極長度分別為 8μm、12μm、16μm 以及 20μm 下的汲極電流對閘極電壓的關係圖(Id-Vｇ圖)與外 部轉導圖。在Vds = 9V 時，最大外部轉導分別為 84.5 mS/mm、85.3 mS/mm、83.2 mS/mm 與 81.33 mS/mm。臨界電壓分別為-2.51V、-2.57V、-2.78V、-3.04V。
圖5-7(a)、(b)、(c)、(d)是線型閘極結構外加場效電板的 Id-Vds圖，元件結構 為汲極對閘極長度20μm 之線型閘極結構，比較不同長度的閘極場效電板對汲極 電流的影響，其場效電板長度依序為2μm、3μm、4μm 以及 5μm。在 Vg = 1V 時 之最大電流分別是23.2mA、23.8mA、24.1mA 以及 23.3mA。由圖 5-7 觀察可發 現電流值差異性並不大，這顯示場效電板並不會影響汲極電流的表現。
圖 5-8 是環形閘極結構無場效電板之 Id-Vd圖。元件結構為閘極長度 2μm、
閘極寬度400μm，閘極對源極長度 2μm、汲極對閘極長度為 12μm，在 Vg = 1V 時的最大電流為81.4mA。
圖 5-9 是汲極電流對閘極電壓的關係圖(Id-Vｇ圖)與外部轉導圖，其元件結 構與圖5-8 相同。在 Vds = 9V、Vgs =0.5V 時，最大外部轉導為 53 mS/mm。臨界 電壓為-3.12V。
圖 5-10 是矩形閘極結構無場效電板的 Id-Vd圖。元件結構為閘極長度2μm、
閘極寬度600μm，閘極對源極長度 2μm、汲極對閘極長度依序為 20μm，在 Vg = 1V 時之最大電流為 119.4mA。
圖 5-11 是汲極電流對閘極電壓的關係圖(Id-Vｇ圖)與外部轉導圖，其元件結 構與圖5-10 相同。在 Vds = 8V、Vgs = -0.65V 時，最大外部轉導為 58.3 mS/mm。
臨界電壓為-2.83V。
圖5-12 與圖 5-13 分別是不同閘極寬度下，單位汲極電流與轉導的量測結 果，可以看出隨著閘極寬度地增加，因為熱效應使得電流下降的程度，這兩張圖 對於將來元件尺寸上的設計將是很好的參考。
5. 2. 2 直流特性討論
觀察汲極電流對汲極電壓的關係，我們發現在相同汲極電壓下，隨著汲極 對閘極長度增加，汲極對閘極的等效阻質增加，應當要有較小的汲極電流，此處 卻沒有，最主要的原因在於因為通道內二維電子氣的關係，阻質隨汲極對閘極長 度增加變化較小以及晶片本身磊晶品質上區域性的差異所造成，若我們進一步觀 察圖 5-2，可以發現臨界電壓並不一致，這有可能是因為元件下方 AlGaN 層其 doping 不均勻或是厚度上的差異所造成的。三種不同幾何結構汲極電流的變動範 圍為，線型結構：15％、環形結構：20％、矩形結構：25％。
就轉導表現的觀察，與汲極電流對汲極電壓的關係一樣，汲極到閘極距離與 轉導並沒有顯著的關係，主要原因同上。三種結構的轉導值分別是線形結構85.3 mS/mm、矩形結構 58.3 mS/mm、環形結構 53 mS/mm。變動範圍為，線型結構：
6％、環形結構：8％、矩形結構：16％。
若將三種結構的轉導大小做比較，線型結構最高，大於矩形與環形結構，主 要的原因有兩個，第一：熱效應，由於環形與矩形結構的閘極寬度分別為400μm 與600μm 遠大於線形的 75μm，這使得熱效應影響更加嚴重，而導致電流的衰減 進而降低轉導，然而若是我們再進一步在同樣的閘極寬度(600μm)下做比較，線 型結構的轉導值(67 ms/mm)依舊比矩形結構(57 ms/mm)與環形結構(44 ms/mm) 高，這可能是接觸金屬(contact metal)的問題，就源極端歐姆接觸金屬厚度考量(圖 5-14)，線形結構在第二道源極汲極金屬(270nm)與第三道閘極金屬(320nm)蒸鍍時 源極皆有蒸鍍上去(共 590nm)，而環形與矩形結構的源極卻只有蒸鍍到第二道源 極汲極金屬(270nm)，較薄的金屬厚度將使得源極電阻(source resistance)阻值增高 且散熱效果較不好，另外不同的layout 也會影響到阻值的表現，像是環形結構電
流經源極出來到下針的襯墊(pad)所需走的距離也較長這也提高了源極電阻的電 阻值。在汲極對閘極長度為16μm 尺寸下，我們所量測的源極電阻分別為線形結 構 11.6Ω-mm，低於環形結構 15.8Ω-mm 矩形結構 14.7Ω-mm。這也是為何線形 結構有較高轉導的原因之一。
這次實驗所得的轉導明顯的比起一般的 HEMT 轉導(150~200mS/mm)都還要 低，主要是因為的閘極長度較長所導致，這次的閘極長度為 2μm，由於轉導是元 件幾何結構的函數，較長的閘極長度將使得轉導值變小。此外過高的接觸電阻 contact resistance (2.148Ω-mm) 也是造成轉導降低的一個主要原因，若要進一步 改善並降低接觸電阻，需要從製程上進行改良與最佳化，這也是將來重要的工作。 很大的原因是因為本實驗所使用的基板為 sapphire 基板，sapphire 之熱傳導係 數只有 0.35W/cm-K，散熱效果不好，這對於功率元件的影響非常大，因此將來 元件製作將以Si 或 SiC 基板為主要趨勢。
就單位長度汲極電流對閘極寬度來觀察，與轉導一樣隨著閘極的增加，因為 熱效應使得電子遷移率的下降。因此雖然當閘極寬度增加總電流增加，但是單位
長度汲極電流下降，由圖5-12 我們可以觀察到，當閘極寬度從 75μm 增加 100μm 時，單位汲極電流有個很明顯的衰減，而 100μm 以後的衰減就顯的平緩很多。
這表示就大尺寸元件而言，散熱的問題是一個我們今後必須要克服的一個重要課 題。
就實驗量測結果而言，場效電板並不影響元件的直流表現，無論是對汲極電 流或者是轉導，相同尺寸結構的元件在不同長度的場效電板其表現都很接近。最 主要是因為在直流情形下場效電板並不影響到閘極對通道的控制，因此並不影響 到元件直流的表現。
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0 5 10 15 20 25 30
-4 -2 0 2
(a) Lgfp=2μm (b) Lgfp=3μm
-4 -2 0 2
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
2 finger Lgd=12 2 finger Lgd=16 ring Lgd=16
1 finger, Lgd=12 1 finger, Lgd=16 2 finger, Lgd=12 2 finger, Lgd=16 R ing, Lgd=16 R ec. Lgd=12 R ec. Lgd=16
圖5-13 不同閘極寬度對轉導的關係圖
圖5-14 源極金屬層光罩示意圖
5. 3 元件高壓特性
5. 3. 1 高壓特性分析
圖 5-16 為線形結構裡最高崩潰電壓量測圖，閘極長度 2μm，閘極寬度 75μm，閘極對汲極寬度為 16μm 。閘極偏壓在-4V，off-state 下崩潰電壓的量測，
其崩潰電壓為550V。
圖 5-17 為環形結構裡最高崩潰電壓量測圖，閘極長度 2μm，閘極寬度 400μm，閘極對汲極寬度為 20μm，場效電板長度 5μm。閘極偏壓在-4V，off-state 下崩潰電壓的量測，其崩潰電壓為450V。
圖 5-18 為矩形結構裡最高崩潰電壓量測圖，閘極長度 2μm，閘極寬度 600μm，閘極對汲極寬度為 20μm 。閘極偏壓在-4V，off-state 下崩潰電壓的量測，
其崩潰電壓為520Ｖ。
圖5-19 為線形結構加閘極場效電板的崩潰電壓分布圖，元件尺寸區塊為閘 極到汲極距離為8μm 與 12μm，其中橫座標為閘極場效電板長度，縱座標為崩潰 電壓。
圖5-20 為線形結構加閘極場效電板的崩潰電壓分布圖，元件尺寸區塊為閘 極到汲極距離為 16μm 與 20μm，其中橫座標為閘極場效電板長度，縱座標為崩 潰電壓。
圖5-21 為線形結構加閘極汲極場效電板的崩潰電壓分布圖，元件尺寸區塊 為閘極到汲極距離為16μm，汲極場效電板長度分別為 2μm、3μm 與 4μm，其中 橫座標為閘極場效電板長度，縱座標為崩潰電壓。
圖5-22 為線形結構加源極場效電板的崩潰電壓分布圖，元件尺寸區塊為閘 極到汲極長度為16μm，其中橫座標為源極場效電板長度，縱座標為崩潰電壓。
圖 5-23 為環形結構加閘極場效電板的崩潰電壓分布圖，元件尺寸區塊為閘 極到汲極長度為 16μm 與 20μm，其中橫座標為閘極場效電板長度，縱座標為崩 潰電壓。
圖5-24 為環形結構加閘極汲極場效電板的崩潰電壓分布圖，元件尺寸區塊 為閘極到汲極長度為16μm，汲極場效電板長度分別為 2μm、3μm 與 4μm，其中 橫座標為閘極場效電板長度，縱座標為崩潰電壓。
圖5-25 與圖 5-26 為矩形結構加閘極場效電板的崩潰電壓分布圖，元件尺寸 區塊分別為閘極到汲極長度為 8μm、12μm 與 16μm、 20μm，其中橫座標為閘 極場效電板長度，縱座標為崩潰電壓。
圖5-27 為矩形結構加閘極汲極場效電板的崩潰電壓分布圖，元件尺寸區塊 為閘極到汲極長度16μm，汲極場效電板長度分別為 3μm 與 4μm，其中橫座標為 閘極場效電板長度，縱座標為崩潰電壓。
圖5-28 為矩形結構加源極場效電板的崩潰電壓分布圖，元件尺寸區塊為閘 極到汲極長度為16μm，其中橫座標為源極場效電板長度，縱座標為崩潰電壓。
圖 5-29 為 off state 下線形結構與矩形結構漏電流比較圖。線形結構約為 100μA/mm，矩形結構約為 5μA/mm。
5. 3. 2 高壓特性討論
就線形結構而言，以閘極對汲極長度(Lgd)為 16μm 的元件之崩潰電壓最大，
主要分布集中250V 到 450V 之間，當中最大崩潰電壓為 550V。而閘極對汲極長 度8μm 之元件崩潰電壓範圍在 150V 到 300V 之間，閘極對汲極長度 12μm 之元 件崩潰電壓範圍在 300V 到 400V 之間，閘極對汲極長度 20μm 之元件崩潰電壓 範圍在 180V 到 250V 之間。若以閘極對汲極長度來比較崩潰電壓，VBV(16μm) 大於等於 VBV(12μm)大於 VBV(8μm)大於 VBV(20μm)，然而一般而言，崩潰電壓 會隨著的閘極對汲極長度增加而提升，直到特定長度飽和後就不再增加，在這裡 16μm 以內都還蠻合理的，然而 20μm 的在此處的崩潰電壓卻表現不太好，。最 主要的原因有可能是因為wafer 此區域的磊晶品質不佳所造成，從元件的分布範 圍對崩潰電壓值更可以確定這點，此區域的元件普遍崩潰電壓都偏低可是卻沒有 過高的閘極漏電流，因此最有可能造成此區崩潰電壓下降的原因就是wafer 磊晶
主要分布集中250V 到 450V 之間，當中最大崩潰電壓為 550V。而閘極對汲極長 度8μm 之元件崩潰電壓範圍在 150V 到 300V 之間，閘極對汲極長度 12μm 之元 件崩潰電壓範圍在 300V 到 400V 之間，閘極對汲極長度 20μm 之元件崩潰電壓 範圍在 180V 到 250V 之間。若以閘極對汲極長度來比較崩潰電壓，VBV(16μm) 大於等於 VBV(12μm)大於 VBV(8μm)大於 VBV(20μm)，然而一般而言，崩潰電壓 會隨著的閘極對汲極長度增加而提升，直到特定長度飽和後就不再增加，在這裡 16μm 以內都還蠻合理的，然而 20μm 的在此處的崩潰電壓卻表現不太好，。最 主要的原因有可能是因為wafer 此區域的磊晶品質不佳所造成，從元件的分布範 圍對崩潰電壓值更可以確定這點，此區域的元件普遍崩潰電壓都偏低可是卻沒有 過高的閘極漏電流，因此最有可能造成此區崩潰電壓下降的原因就是wafer 磊晶