1.1 氮化鎵材料特性與應用
三族氮化物如氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)、氮化銦(InN)半導體材 料中，有著特殊的極化效應，極化效應可分為兩種，一種為自發極化 效應(spontaneous polarization)，另一種為壓電極化效應(piezoelectric polarization)。二維電子氣(2DEG)為 HEMT 的導通媒介，極化效應是 影響此二維電子氣主要的物理現象，其中自發極化效應為 GaN 分子 結構本身產生的偶極(dipole)極化現象，而壓電極化則是由於兩個異 質結構材料在磊晶成長時，因為晶格常數不同產生的應力所造成的極 化效應。 GaN 因為同時擁有此兩種極化效應，因此相較於
AlGaAs/GaAs 異質接面系列元件有更高的電子濃度，圖 1-1 為 GaN 材料的極化效應反應在能帶變化趨勢，可看出同時擁有兩種極化效應 時，在材料界面處所產生的三角形位勢井。
氮化鎵元件應用範圍包含馬達控制、工業自動化系統以及汽車電 子，且非常適合應用於高電壓高電流之電動車。表 1-1 為氮化鎵材料 與其他半導體材料的比較[2]，其較高的寬能隙(3.4 eV)以及高熱傳導 性(> 1.5 W / cm ∙ K)，高於砷化鎵(0.45 W / cm - k)，讓它非常適合操 作在高溫(300 ℃)的環境，以及較低的雜訊表現，使它應用在製造高 溫、高電流、高切換頻率的功率元件上，是相當有潛力的材料，圖 1-2 為氮化鎵材料的應用領域。
1.2 研究動機
隨著科技的迅速發展，能源消耗的速度越來越快，在有限的資源 中，如何增加能源的使用效率一直是一個值得研究的議題。在電路系 統上，功率電子元件主要應用於整流器與功率開關，過去主要以矽元 件應用於功率切換開關，為了減少功率消耗，氮鋁化鎵/氮化鎵高載 子遷移率電晶體低導通電阻的特性，與其優越的材料特性，可提高電 路系統的效率，非常適合應用於電動車中。
本研究目的在於量測並應用國立交通大學材料工程所所研究開 發的 D-mode AlGaN/GaN HEMT，當新的功率電晶體開發完成後，在 應用於電路系統以前，會需要一些標準規格的電性量測，以提供設計 上所需的必要資訊，且設計完成在實現電路之前，可先透過建立新元 件的等效電路模型，應用於模擬軟體中，模擬並評估設計電路的可行 性與預期結果，幫助設計者節省設計成本與時間。但因為目前材料所 元件尚處於封裝研究階段，因此本論文著重在提供 HEMT 測試與模 型建立方法的討論。
1.3 論文架構
本論文將從第二章 AlGaN/GaN HEMT 的電性量測談起，以 D-mode GaN HEMT 做直流與切換特性的分析，第三章探討一般功率 元件使用手冊上(Datasheet)所提供參數，做一般功率元件之電性量測，
並以 E-mode GaN HEMT 與 n-type MOSFET 做實驗對照與實驗方法討
論。第四章則進入 HEMT 等效電路模型建立，討論建立方法與參數 萃取方式，並應用 IsSpice 電路模擬軟體建立新元件，以利於日後電 路設計與修改。第五章為研究成果討論，提出並檢討值得改善的地 方。