GaN HEMTs 擁有寬能隙、大崩潰電場以及高飽和飄移速度，因此非常適合 在高功率、高頻和高溫下操作。就高壓上的應用而言，要如何改良以提升崩潰電 壓使其更趨近於理想值，使元件可操作電壓範圍更大，而達到更有效而廣泛的應 用空間。本章節重點在於藉由元件結構上的設計與改善來提升崩潰電壓。
3. 1 場效電板(Field Plate)異質結構場效電晶體
在這次設計裡，為了做出元件最佳化，我們設計了幾種不同結構。圖3-1 為 元件最基本的幾何結構。在此所有的元件其閘極長度Lg ( gate length )都是 2μm，
源極到閘極的距離Lgs也都是2μm。閘極到汲極的距離 Lgd，我們取的範圍是8μm 到20μm(每 4μm 作一個區間)，較長閘極到汲極距離主要是因為可以藉由漂移區 的延伸可以提升元件崩潰電壓[7]，此外我們還結合場效電板來改善元件耐壓特 性。
L
gsL
gL
gd圖3-1 GaN HEMT 結構
3. 1. 1 場效電板結構與原理
對GaN HEMTs 而言，崩潰主要發生在閘極邊緣處(靠汲極方向)。因此若能 降低在閘極邊緣處的電場，將可以有效的提升崩潰電壓。當場效電板應用於GaN HEMTs 時，場效電板就像是第二個閘極一樣提供一個額外的電場有效地空乏掉 場效電板所覆蓋元件的下方，這將使汲極到閘極之間的空乏區寬度增加。由於空 乏區的改變，造成在汲極到閘極之間的電場重新分布[10]，進而紓解了原本在閘 極邊緣處的鋒值電場。由圖3-2 可以看出，有場效電板的元件在場板的邊緣會產 生一個峰值電場，這使的原本在閘極邊緣的鋒值電場因為被分散掉而降低，這意 味著元件可以承受更高的崩潰電壓。
圖3-2 有場效電板與無場效電板沿著2-DEG的電場分布的模擬(t = 3μm，nｓ = 1x1013/cm Vd = 123 V, Vg = -2.8 V.)[9]
場效電板依接法的不同，可以有幾種不同的變化，例如上圖偏壓接在閘極的 閘極場效電板(圖 3-2)。或者是偏壓接在源極的場效電場(圖 3-3)，這與閘極場效 電板唯一的差別就是偏壓不同，一個是偏壓在元件的截止偏壓，一個是偏壓在源 極的接地偏壓。我們觀察圖3-3 電場的分布可以發現，當使用場效電板時，隨著 崩潰電壓的提高，汲極偏壓也越來越高，此時在汲極端會出現一個很大的鋒值電
場 [8][9]，這意味著在汲極端甚至有可能比閘極先崩潰。因此同樣的場效電板的觀
念被應用在汲極端，也就是汲極場效電板(圖 3-4)[11]，由圖 3-4 可以看出，汲極 端處的鋒值電場有效地被汲極場效電板舒緩。
圖3-3 源極場效電板 GaN HEMTs 剖面圖與延著 AlGaN 表面的電場分布圖，實 線是有場效電板結構，虛線是沒有場效電場結構［８］
圖 3-4 源極汲極場效電板 GaN HEMTs 剖面圖與延著 AlGaN 表面的電場分布 圖，其中虛線是單場效電板元件，實線是雙場效電板元件。［11］
3. 1. 2 場效電板設計
由於這是我們第一次嘗試將場效電板的設計應用在GaN HEMT 上，因此我 們主要嘗試了三種場效電板的設計，分別是閘極場效電板結構，源極場效電板結 構，以及閘極汲極雙場效電板結構。
1. 閘極場效電板結構
圖3-5 為閘極場效電板結構，場效電板的長度(Lgfp)分別 2μm 到 5μm(每 1μm 作為一個區間)。閘極寬度(gate width)是 75μm。圖 3-6 是元件的佈局設計圖 ( layout )，表 3-1 是閘極場效電板元件尺寸的統整表。
L
gsL
gL
gfpL
gd圖3-5 閘極場效電板 GaN HEMT 剖面圖
S
G
S
D
圖3-6 閘極場效電板 GaN HEMT 元件佈局設計圖(layout)
Lgfp: 0 Lgfp: 2μm Lgfp: 3μm Lgfp: 4μm Lgfp: 5μm
Lgd: 8μm ˇ ˇ ˇ
Lgd: 12μm ˇ ˇ ˇ
Lgd: 16μm ˇ ˇ ˇ ˇ
Lgd: 20μm ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ
表 3-1 閘極場效電板GaN HEMTs 尺寸整理表
2. 閘極汲極雙場效電板結構
除了將場效電板連接在閘極的設計外，為了進一步降低在汲極端的電場，我 們設計了同時具有閘極場效電板與汲極場效電板的元件結構，圖 3-7，而圖 3-8 是元件的佈局設計圖(layout)。元件規格為 Lg = Lgs= 2μm， Lgd = 16μm，Wg = 75μm，閘極場效電板與汲極場效電板各自都有 2μm、3μm、4μm 三種尺寸做搭 配，共九種組合，整理於表3-2。
Lgs Lg Lgfp
Lgd Ldfp
圖3-7 閘極汲極場效電板 GaN HEMT 剖面圖
S
G
S
D
圖3-8 閘極汲極場效電板 GaN HEMT 元件佈局設計圖(layout)
Lgfp: 2μm Lgfp: 3μm Lgfp: 4μm
Ldfp: 2μm ˇ ˇ ˇ
Ldfp: 3μm ˇ ˇ ˇ
Ldfp: 4μm ˇ ˇ ˇ
表3-2 閘極汲極場效電板 GaN HEMTs 尺寸整理表
3. 源極雙場效電板結構
最後是源極場效電板結構的設計(圖 3-9)，場效電板偏壓在源極接地。與閘 極場板的差異在於場效電板對汲極的電壓差較小。另外要注意的是，場效電板在 跨過源極到汲極這個區間時，因為與下方電位的差異，會產生一個額外的寄生電 容，這將會影響到元件高頻特性，為了避開這個問題，我們把場效電板與源極的 接線繞過主動區(active region)，而從旁繞接過去(參看圖 3-10 元件佈局設計圖)。
在這裡我們所採用的規格是Lg = 2μm，Lgs=2μm，Lgd = 16μm，Wg = 75μm，Lgfp=2、
3、4μm。
Lgs Lg
Lsfp
Lgd
圖3-9 源場效電板 GaN HEMT 截面圖
S
G
S
D
圖3-10 源極場效電板 GaN HEMT 元件設計圖(layout)
3. 2 封閉式元件設計
3. 2. 1 原理與設計概念
為了進一步改善元件崩潰電壓，我們設計了封閉式元件結構。一般傳統線形 閘極元件(圖 3-11 a)，崩潰通常發生在元件閘極尖端處，最主要的原因有兩個。
首先，當元件進行蝕刻製程時(例如平臺隔離製程)，蝕刻會對 wafer 表面造成傷 害，特別是在主動區( mesa region)邊緣處，由於元件閘極會跨過主動區邊緣，此 區的缺陷(defect)會使元件在高壓時發生漏電流而造成崩潰。再來，在 gate finger 的末端處因為尖端的關係會有相對較高的鋒值電場存在，這都將導致閘極末端易 發生崩潰而降低元件崩潰電壓。由圖3-11 可以看出，比起傳統的 multi-finger 元 件至少兩處跨過主動區邊，緣封閉式結構的閘極只會有一處跨過主動區邊緣，而 減少了缺陷對元件的影響。另外由於閘極是封閉式的，不像 multi-finger 元件之 閘極有起始端與末端，避免了閘極末端大電場的情形發生，因此有較均勻的電場 分布，這使得封閉式結構在元件耐壓上將有較好的表現。
(a) (b)
圖3-11 (a) Multi-finger layout (b)封閉式layout.
3. 2. 2 封閉式 GaN HEMTs layout 3. 2. 2. 1 環形結構( ring structure )
環形封閉結構layout 如圖 3-12，元件尺寸規格如下， Lg = Lgs= 2μm，而閘 極到汲極長度Lgd為8μm 到 20μm(每 4μm 作一個區間)，閘極寬度 Wg＝400μm。
由於環形結構均勻而且對稱，因此會有較均勻的電場分布，然而要注意的是因為 在汲極端的周長小於源極端周長，這將使得汲極有較高的電流密度，即汲極端會 些許current crowding 的現象。另外，為了進一步提升元件特性，我們同時還將 場效電板應用在環形封閉式結構上。
1. 環形結構 + 閘極場板 (尺寸統計列於表 3-3)
圖 3-12 環形結構 + 閘極場板 layout
D
S S G
Lgfp: 0 Lgfp: 2μm Lgfp: 3μm Lgfp: 4μm Lgfp: 5μm
Lgd: 8μm ˇ ˇ ˇ
Lgd: 12μm ˇ ˇ ˇ
Lgd: 16μm ˇ ˇ ˇ ˇ
Lgd: 20μm ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ
表3-3 環形結構 + 閘極場板之尺寸統計表
2. 環形結構 + 閘極汲極場板
D
S G S
圖3-13 環形結構 + 閘極汲極場板 layout
Lgfp: 2μm Lgfp: 3μm Lgfp: 4μm
Ldfp: 2μm ˇ ˇ ˇ
Ldfp: 3μm ˇ ˇ ˇ
Ldfp: 4μm ˇ ˇ ˇ
表3-4 環形結構 + 閘極汲極場板之尺寸統計表( Lgd =16μm，Wg = 400μm)
3. 環形結構 + 源極場板
D
S G S
圖3-14 環形結構 + 源極場板 layout
Lgfp: 0 Lgfp: 2μm Lgfp: 3μm Lgfp: 4μm
Lgd: 16μm ˇ ˇ ˇ ˇ
表3-5 環形結構 + 源極場板之尺寸統計表
3. 2. 2. 2 矩形結構( rectangular structure )
我們所設計的第二種封閉式結構是矩形結構，圖3-15 a。在同樣的閘極寬度 下，矩形結構比起環形結構會比佔更小的面積，因此矩形比起環形，在wafer 上 空間的應用率也會較高。矩形結構閘極的四個邊就像是理想的線形(line gate)傳統 元件，然而在它的四個角卻會有current crowding 的現象，並且因為有角，所以 會有尖端峰值電場的情形。為了減緩這個現象，我們在四個角的地方做了結構上 的改良(圖 3-15 b)，藉由改善角的弧度，來降低在汲極邊緣的電流密度，並且就 崩潰電壓方面，我們同時增大了在端角處汲極對閘極的距離，讓端角處可以承受 較高的潰電壓。
(b)
(a)
圖3-15 (a)矩形結構 (b)轉角的弧度的改良
矩形結構元件尺寸規格如下， Lg = Lgs= 2μm，而閘極到汲極間距 Lgd的我們 取的範圍是8μm 到 20μm(每 4μm 作一個區間)，閘極寬度 Wg＝600μm。我們也 同時結合了場效電板與矩形封閉結構。
1. 矩形結構 + 閘極場板
D
G S
圖3-16 矩形結構 + 閘極場板 layout
Lgfp: 0 Lgfp: 2μm Lgfp: 3μm Lgfp: 4μm Lgfp: 5μm
Lgd: 8μm ˇ ˇ ˇ
Lgd: 12μm ˇ ˇ ˇ
Lgd: 16μm ˇ ˇ ˇ ˇ
Lgd: 20μm ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ
表3-5 矩形結構 + 閘極汲極場板 尺寸一覽表 (Wg = 600μm)
2. 矩形結構 + 閘極汲極場板
S
Lgfp: 2μm Lgfp: 3μm Lgfp: 4μm
Ldfp: 2μm ˇ ˇ ˇ
Ldfp: 3μm ˇ ˇ ˇ
Ldfp: 4μm ˇ ˇ ˇ
D
G
圖3-17 矩形結構 + 閘極汲極場板 layout
表3-6 矩形結構 + 閘極汲極場板 尺寸一覽表( Lgd =16μm，Wg = 600μm)
3. 矩形結構 + 源極場板
圖3-18 矩形結構 + 汲極場板 layout
Lgfp: 0 Lgfp: 2μm Lgfp: 3μm Lgfp: 4μm
Lgd: 16μm ˇ ˇ ˇ ˇ
表3-7 矩形結構 + 汲極場板 尺寸一覽表(Wg = 600μm)
3. 3 大尺寸線形閘極元件
隨著元件尺寸的增加，通道溫度隨著元件總電流增加而上升，這使得電子遷 移率降低，進而降低元件的電流密度以及增加元件的特性導通電阻。由於本論文 所用的試片的基底材料為導熱特性較差的sapphire 基板，溫度所造成的影響更加 明顯，因此我們設計了大尺寸閘極寬度的線形閘極結構，藉此觀察熱效應所造成
的影響。元件尺寸整理於表3-8 所示。
Total Width (Wg) Lgd: 12μm Lgd: 16μm
200μm ˇ ˇ
300μm ˇ ˇ
400μm ˇ ˇ
500μm ˇ ˇ
600μm ˇ ˇ
表3-8 大閘極寬度的線形閘極結構尺寸表