一、 緒論
1.3 論文架構
本論文架構安排如下:
第一章中，說明研究動機與文獻回顧。
第二章中，介紹 AlGaN/GaN HEMT 元件結構。
第三章中，介紹 AlGaN/GaN HEMT 之高功率模組設計及其封裝流程。
第四章中，介紹 AlGaN/GaN HEMT 高功率模組之電性測試、可靠度測試和應用。
第五章中，說明結論與未來展望
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二、AlGaN/GaN HEMT 元件結構 2.1 AlGaN/GaN HEMT 元件模型
本研究中氮化鎵高功率晶體的剖面結構如圖一所示，利用有機金屬化學氣相沉積 法將氮化鎵磊晶於厚度為625µm的矽基板上，內部的源極、閘極、汲極為細長型且交 錯排列形成像指頭一樣的結構(multi-finger)，每根閘極寬度(gate width)為500 µm、閘極 長度(gate lenth)為2 µm、閘極間距為50 µm，組成面積為0.25 mm2的元件作動區域。且
Si substrate 700~1500 µm
AlN spacer layer 120 nm GaN buffer layer 5.5 µm AlGaN barrier layer 25 nm
GaN cap layer 4 nm
Si3N4 passivation layer 600 nm
(a)
(b)
圖二 氮化鎵電晶體表面結構. (a) 表面空氣橋連接圖 (b) 電晶體實體照片
2.2 AlGaN/GaN HEMT 元件電性分析
開關元件以閘極電壓來分大致可分成常開式和常關式，本文中所使用之氮化鎵電 晶體為常開式(normally-on)形式之元件，在閘極偏壓為 0V 的條件下，元件為導通狀 態。若要使元件進入截止狀態(pinch-off)則需要再閘極加入-5V 之負偏壓，使得氮化鎵
Exposed channel area
(External)
擷取紀錄。脈衝 Id-Vd 曲線測試結果如圖四所示，當閘極(Vgs)電壓=0V 時，最大汲極 飽和電流為 3.75A，轉折電壓為 4V。圖五為 DC Id-Vd曲線測試結果，當閘極(Vgs)電壓
=0V 時，最大汲極飽和電流為 3.28A。兩種 Id-Vd曲線測試結果，其最大汲極飽和電流 略有不同，造成此種差異的原因是在量測 DC 時，元件會受到自熱效應(self-heating)以 及缺陷效應(trapping effect)的影響，DC 量測之 Id-Vd曲線較趨近於實際功率元件之應用
Drain to Source Voltage(V)
0
Drain to Source Voltage(V)
6
圖六所示，在 A 點，閘極電壓 = -3V 時，汲極電壓=5V 時，電流會突然激增，這是由 於扭結效應(Kink Effect)的緣故，此效應普遍存在於 HEMT 裡面，是指場效應晶體管的 汲極電流與汲極電壓的非飽和特性。產生的原因是由於在高的汲極電壓下，汲極附近 時，因 AlGaN/GaN 的內部差排(dislocation)，而產生陷阱能階，圖八為示波器截取出 的脈衝波形，藍色線代表為方波產生器所提供閘極電壓，紫色線為汲極端的電流， I 區代表元件在關閉狀態(pinch off)，II 區為關閉到開啟區域，可看出在閘極電壓上升元 件開啟時，汲極電流有延遲下降的情形，從關閉變成開啟的過度期，在通道層內
Drain to Sourse Voltage N 5C143143A0562
圖八 Vgs與 ID相對關係圖
Drain to Sourse Voltage I-V Curve
Self-Heating
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三、AlGaN/GaN HEMT 高功率模組封裝設計
容擺放之位置，而中間的電感則是打線造成的電感，利用此電路配置可減少阻抗不匹配 所造成的影響，減少功率的散失，以提高電流提高功率。
圖十一 阻抗匹配電路與電阻連接位置圖
3.2 模組並聯元件之挑選
如圖十二所示，此為任意並聯三個氮化鎵功率晶體一個晶體內有三個 CELL 的電 性曲線，在圖上可看到電流大幅度的下降，主要是因為自熱效應和晶體間阻抗不匹配 所造成的結果，在閘極電壓為-4 V 時，氮化鎵功率晶體應該是關閉狀態，汲極電流應 該接近零。但從圖上可知汲極電流不為零，推測原因可能是閘極漏電流過大所造成 的，且各晶體的特性相差過大。而閘極漏電流劣化形成機制包括反向壓電效應、由高 能電子產生的載流子陷阱和蕭特基接觸劣化。在汲極偏置條件下，位於閘極邊緣的高 電場可能會增加應力(反向壓電效應)，從而影響元件的可靠性。高電場會增加 AlGaN 勢壘中的應力。當達到臨界的汲極－閘極電壓時，就會發生結晶缺陷。這些結晶缺陷 作為深層陷阱有助於形成電子隧道，從而顯著增加閘極漏電流，因而造成無法晶體無 法關閉。
為了達到更高的功率和效率，所以將氮化鎵功率晶體作並聯的動作。但從上述結 果發現，寄生電容、內阻、崩潰電壓…等等因素皆會影響氮化鎵功率晶體並聯的成 效。
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圖十二 氮化鎵晶體並聯電流特性曲線
目前從實驗中和一些文獻參考比較挑出幾項參數作為並聯特性之挑選的依據，挑 選的出來比較參數為最大汲極電流IDmax、轉角電壓、閥值電壓Vth、汲極漏電流，依照 目前的參數作挑選，挑選出擁有相近參數的氮化鎵，實驗電路如圖圖十三，且測試條 件如下，閘極電壓0~-10V，汲極電壓0~10V，切換頻率為 5 Hz，工作週期為0.075%。
如圖十四所示，此為經挑選過後的氮化鎵功率晶體，兩顆的Rds(on)為4.73Ω和4.85Ω，且 最大汲極－源極電流為2.11A和2.06A。從圖十四中可以看到汲極－源極電流在汲極電 壓較大時，會有明顯的下降，此為trapping和內部電感和電容的影響。在圖十五中為兩 顆晶體並聯後的電性曲線，可看出Rds(on) 為2.43Ω，最大汲極－源極電流為4.11A，大 約為單顆最大電流相加值的98.5%(=4.11/4.17)。由此實驗可知經挑選過後氮化鎵功率晶 體可以達到更有效的並聯。圖十六為四顆氮化鎵功率晶體並聯，可看出Rds(on) 為1.29Ω 且最大汲極－源極電流為7.75A。
圖十三 電流電壓曲線測試電路
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圖十四 氮化鎵電晶體單顆電性曲線
圖十五 兩顆氮化鎵電晶體並聯後模組電性曲線
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圖十六 四顆氮化鎵電晶體並聯電性曲線
3.3 模組並聯阻抗匹配電路
由於氮化鎵功率元件為側向電子傳遞架構，需以多顆元件並聯，以達高功率驅動 特性。之前氮化鎵元件在直接並聯時未能導出功率倍增效果，如何由單一氮化鎵元件 特性分析、配對、閘極驅動阻抗匹配以引導出氮化鎵的優越性能是個重要的議題。本 計畫之研究架構在於了解與利用 GaN FET Power Device 的導通電阻(RDSon)之正溫度係 數，研究並聯驅動時之特性，輔以 PSpice 模擬結果為參考，進而提出改善與提升 GaN HEMT Power Device 在並聯配對之輸出驅動功率。
依照圖十七所表示的氮化鎵等效電路，利用此電路可進行阻抗匹配電路之模擬，
並計算阻抗匹配電路上所需使用電容電阻值大小，且在並聯條件篩選方面，會再進一 步的比較轉角電壓、臨界電壓、寄生電容等等，這些條件會都會造成氮化鎵元件不同 時間的開關，進而影響效率或是導致部分元件承受過大電流而損毀。圖十八為兩種不 同阻抗匹配電路，上面為只有電阻，而另一種電阻和電容，電容主要是在高頻下的阻 抗匹配，而在汲極前面增加電阻則是為了調整其轉角電壓使期一致，在閘極前面增加 電阻，主要是因為每顆元件的 Vth不一致，增加電阻則是為了調整使元件可以同時開 關，並利用上述條件篩選過後之氮化鎵高功率晶體製作模組封裝，並進行阻抗匹配電 路測試，且跟模擬結果做比較。[10]~[12]
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圖十七 氮化鎵等效電路
圖十八 阻抗匹配電路
3.4 接面溫度(Junction Temperature)量測之 DC 電性參數
為了達到更大功率的輸出氮化鎵元件並聯是很重要的一件事，但是在並聯下很重 要的一點是在動態開關下的必須使每一顆元件輸出電流一樣，否則會導致單一元件因 為通過過大的電流導致，散熱不及進而導致元件損壞，故在元件並聯時，均流效應下 的散熱處理是另一個必須被考慮的。有鑑於此，更精確地了解元件在操作時的接面溫 度(Junction Temperature)進而強化散熱所需的設計就更為重要了。本研究針對以下六個 電性參數 Ron、Idmax、Leakage Current、Transconductance(gm)、Threshold
Voltage(Vth)、Knee Voltage(Vk)來探討對溫度關係，用來分析與了解並聯時，元件各特 性對熱影響。實驗儀器是採用keithley 2601A和2651A兩台SMU來當作閘極和汲極輸
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入，進行電性量測；並利用加熱烤箱來進行溫度控制的動作，且加溫時，將會等溫度
Transconductance,gm
量測元件Vgs 為-10~1V，Vds 為5V時的 Id-Vg 曲線，計算此曲線一次微分並找出最大 值，所得到值為gm,max
Threshold Voltage,Vth
量測元件Vgs 為-10~1V，Vds 為5V時的 Id-Vg 曲線，計算出當Id為0.02A時的Vg定義為
圖十九 knee voltage 量測條件定義
圖二十和圖二十一是氮化鎵元件單顆和兩顆並聯後，量測其 Vg為 0V 下不同溫度的 Id -Vd 曲線，從圖上可以明顯的看出來，當溫度增加時，Id會下降。
而圖二十二、圖二十三、圖二十四則是利用 Id-Vd 曲線，經過前面所述 Ron和 Idmax的定 義計算後所得，可以看到並聯後的氮化鎵元件在常溫下的 Ron為 1.52 歐姆而在 175 度 下變成 2.83 歐姆，為常溫下的 1.86 倍，而 Idmax則從 2.76A 下降至 1.48A 為原先的 53.6%。圖上黑色虛線是將單顆實驗結果直接相加所得之理論值。且從圖上可以觀察到 這兩個參數對於溫度的變化呈現線性的關係。
圖二十 單顆元件 ID-VD曲線與溫度關係圖
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圖二十一 並聯兩顆元件 ID-VD曲線與溫度關係圖
圖二十二 單顆元件 IDmax、Ron與溫度關係圖
圖二十三 單顆元件 IDmax、Ron與溫度關係圖
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圖二十四 並聯兩顆元件 IDmax、Ron與溫度關係圖
圖二十五、圖二十六、圖二十七是氮化鎵元件單顆和兩顆並聯後，量測其 Vg 為-10V 下不同溫度的 Id-Vd 曲線，從圖上可以明顯的看出來，當溫度增加時，漏電流會 上升。而圖二十八則是利用 Id-Vd 曲線，根據前面所述漏電流的定義取 Vd為 3V 時的 漏電流所得，可以看到並聯後的氮化鎵元件在常溫下的漏電流為 4.14 μA 而在 175 度下 變成 7.54 μA，為常溫下的 1.82 倍，且從圖上可以觀察到這兩個參數對於溫度的變化呈 現線性的正相關。
圖二十五 單顆元件漏電流與溫度關係圖
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圖二十六 單顆元件漏電流與溫度關係圖
圖二十七 並聯兩顆元件漏電流與溫度關係圖
圖二十八 漏電流與溫度比較圖
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圖二十九、圖三十是氮化鎵元件單顆和兩顆並聯後，量測其 Vd為 5V 下不同溫度 的 Id-Vg 曲線，從圖上可以明顯的看出來，當溫度增加時，Id會下降。而圖三十一則是 將 Id-Vg 曲線，經過計算此曲線一次微分並找出最大值，所得的 Gm 對溫度的趨勢 圖，從圖上可以觀察到氮化鎵元件 Gm，對於溫度的變化是呈現線性的負相關。
圖二十九 單顆元件 ID-VG曲線與溫度關係圖
圖三十 並聯兩顆元件 ID-VG曲線與溫度關係圖
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圖三十一 Gm,max與溫度關係圖
圖三十一 Gm,max與溫度關係圖