氮化鎵光致氧化膜MOS元件之研究

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計畫類別：個別型計畫計畫編號： NSC91-2622-E-002-021-CC3 執行期間： 91 年 06 月 01 日至 92 年 05 月 31 日執行單位：國立臺灣大學光電工程學研究所計畫主持人：彭隆瀚計畫參與人員：彭隆瀚教授,巫漢敏,林晉逸報告類型：完整報告處理方式：本計畫為提升產業技術及人才培育研究計畫，不提供公開查詢

中

華

民

國 92 年 8 月 28 日

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國科會補助提升產業技術及人才培育研究計畫成果精

簡報告

計畫名稱：氮化鎵光致氧化膜 MOS 元件之研究

計畫編號：NSC 91 – 2622 – E – 002 – 021 - CC3

執行期間：

91 年 06 月 01 日至 92 年 05 月 31 日

執行單位：

台灣大學光電工程學研究所

主持人：彭隆瀚教授

參與學生：

姓名

年級

(大學部、碩士班、博士班)

已發表論文或已申請之專

利

(含大學部專題研究論文、碩博士論文)

工作內容

巫漢敏

博士班

氮化鎵金氧半電容元件之

製作與特性研究

光致氧化膜成長、結構分析、Ga2O3/GaN 元件製作、模型建立

林晉逸

碩士班

氮化鋁鎵光致氧化膜在金

氧半電容元件之研究

AlGa2O3/GaN 元件製作、模型建立

合作企業簡介

合作企業名稱：美商朗弗寬頻微電子股份有限公司台灣分公司

計畫聯絡人：吳怡萱經理

產品簡介：以無線/有線寬頻關鍵零組件為主要產品，包括功率放

大器、驅動放大器、無線區域網路射頻收發模組、與客

制化的模組設計。

網址：http://www.rfintc.com/ 電話：(02) 2698-1022

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目前氮化鎵高頻元件研發，所面臨的一大挑戰就是無法生長自然氧化膜，製

程上端賴傳統之 CVD 技術作 SiOx、SixNy介電層沉積。由於容易造成晶格缺陷，

以 PECVD、電子束沉積技術所製作之 GaN MIS diode 之介面狀態密度 Dit, min常

高於 1012

cm-2 eV-1cm-2，因而不具產業應用之價值。

目的：為求提昇氮化鎵高頻元件之高溫穩定、降低閘極漏電流所需之表面保

護(surface passivation)，我們應用已獲得六項專利授權之光致氮化鎵自然氧化膜

生長技術，研發具有低介面狀態 Dit, min<1011 eV-1cm-2之 Ga2O3/GaN 之製程技術。

此技術之發展，亦有益於氮化鎵藍綠光二極體與雷射之應用。 研究方法：以深紫外光技術，增益氮化鎵之光電化學氧化還原反應，於室溫 下氧化出 Ga2O3/GaN 結構。利用高溫氣氛還原，降低晶格缺陷並形成穩定態之 β-Ga2O3。以表面分析(SEM、EDX、XRD、XPS、Auger)技術，研究製程條件對於氧化鎵與結晶成分與結構之影響。利用 PL 技術，研究氧化鎵之光學係數與表面保護性應。應用 I-V、C-V 量測分析與高溫氣氛處理，研究氧化鎵之電性傳導特性。藉此以研發低介面狀態濃度 Dit, min< 1011 eV-1cm-2之 Ga2O3/GaN 製程技術。

人才培育成果說明：

在實驗研究中，困難與問題的出現是勢必難免的，但我們老師與學生依舊努力，結合資源、努力與智慧克服困難，不只完成各階段的預期目標進度，同時也讓兩位在學學生有機會學習，增長了知識與能力，更學習到研究的精神與態度，收穫良多，符合此計畫的初衷。因此我們在成果自評中，認為這次計畫之進行與實現完成度非常高，提升產業技術與人才培育皆有達到目標。

技術研發成果說明：

到 05/25/2003 為止，我們計完成的工作有 (a)成功研發氮化鎵與氮化鋁鎵自然氧化膜(AlGa)O3成長技術 (b)光致化學氧化膜成長速率整理，氧化速率約為 19.2nm/min，如圖一所示 (c)(AlGa)O3 特性研究，並以高溫氣氛熱退火進行氧化膜品質最佳化，如圖二所示，氧化膜在高溫退火下，出現複晶之晶格結構。 (d)GaN MOS 元件製作、量測、分析 (e)AlGaN MOS 元件製作、量測、分析如圖三所示。 (f)崩潰電場最高化達 3MV/cm，如圖四所示。 (g)介面狀態密度最低化，達 1010數量級

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5.6 5.8 6.0 6.2 6.4 6.6 6.8 8 12 16 20 R a te (n m/ min ) pH -4 -2 0 2 4 6 10 20 30 40 50 60 100k Hz 500k Hz 1M Hz C ap aci tan c e (pF ) Vg (V) -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 0.1 1 (b) (a) J (A /cm 2 ) E (MV/cm) 圖一氧化速度曲線圖二 XRD 分析圖三電容電壓曲線圖圖四電流曲線圖寬能隙之氮化鎵材料無法以一般氧化技術得到品質良善之氧化膜，是氮化鎵材料急需克服之困難。而我們利用非傳統之光致化學氧化法，成功在氮化鎵與氮化鋁鎵實現了自然氧化膜之成長，並對其特性作各種量測，包括氧化速度、表面分析(包含 SEM、EDX)、成份分析(XPS)、能隙量測、電容元件之量測與模擬計算與導電性分析。最後結論之結果，顯示結合光致化學氧化法與高溫氧氣熱退火處理技術後，可以成長高品質自然氧化膜。 30 40 50 60 70 80 (c) (b) (a) beta-Ga2O3(0 1 9) beta- Ga2O3(0 2 4 ) Ga2O3(4 2 0 ) GaOOH(1 4 0) GaN(0 0 4) GaN(0 0 2) Int ens it y ( a. u. ) 2 theta

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eV cm 膜介面的狀態濃度在 1x1011 eV-1cm-2，另外也提高了氧化層絕緣性質、降低漏電流、增加崩潰電壓達，從數據分析顯示，與傳統 CVD… 等技術相比，我們研究之氮化鎵系材料氧化層品質與特性是非常好，擁有更佳的商業應用價值。

可利用之產業及可開發之產品：

將氧化膜繼續應用在高頻、高功率電晶體之製作上，當未來技術成熟與元件製作完成後，其應用範圍廣泛，進入大眾生活之中，可為大眾帶來更好的科技與便利，其應用價值具有莫大的潛力。而在光電產業，同樣也具有潛力。氧化膜的表面保護作用可以降低缺陷密度，增加電子電洞在材料中的壽命與再結合之效率，同時氧化膜亦提供了折射係數匹配之功能，減少光線全反射比率，增加透光率，能大幅改善光電元件之發光效率與照明強度。

推廣及運用的價值：

藍光氮化物元件的研發，自從日本 Nichia 公司於 1995 年成功量產高亮度的藍綠光 LED，與 2000 年量產紫光雷射後，已造成光電半導體業界的另一項革新。實際上，氮化鎵元件比起三十年前砷化鎵元件出道時所備受的禮遇與重視，簡直不可同日而語。其原因是除了在高密度光資訊儲存、顯示以及高溫操作之運算速度特性上，氮化鎵材料都具備無法匹敵之優勢。右圖為 Strategies Unlimited 所提供 GaN 元件未來 5 年的市場分析。此分析顯示，到了 2005 以後，氮化鎵元件之產品，將佔有 III-V 市場之 20%，足以證明此一新興領域之市場區隔與獨占性。而目前台灣在氮化鎵材料之研發與應用上，仍在日本與美國之下，多項專利已被日本美國取得，研究與商業應用受限的台灣，更需要投入更多努力與設備來推廣，才可能急起直追，在這新興領域中，得到一席之地，為台灣帶來最大之價值。