高功率氮化鎵異質結構場效電晶體之設計與製作

國 立 交 通 大 學

電子工程學系電子研究所

碩 士 論 文

高功率氮化鎵異質結構場效電晶體之

設計與製作

Design and Fabrication of AlGaN/GaN Heterostructure

Field Effect Transistors

研 究 生 ：王勇智

指導教授 ：林聖迪 博士

中 華 民 國 九 十 六 年 六 月

高功率氮化鎵異質結構場效電晶體之設計與

製作

Design and Fabrication of AlGaN/GaN Heterostructure

Field Effect Transistors

研究生 ：王勇智 Student: Yung-Chih Wang

指導教授：林聖迪 博士 Advisor: Dr. Sheng-Di Lin

國 立 交 通 大 學

電子工程學系電子研究所

碩 士 論 文

A Thesis

Submitted to Department of Electronics Engineering ＆ Institute of Electronics College of Electrical and Computer Engineering

National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements

for the degree of Master

in

Electronics Engineering

June 2007

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

高功率氮化鎵異質結構場效電晶體之設計與製作

學生：王勇智 指導教授：林聖迪博士 國立交通大學 電子工程學系電子研究所 摘要 本論文中我們研究氮化鎵異質結構場效電晶體，以達到元件高崩潰電壓的目 的。我們設計了三種不同幾何結構分別為：線形結構、環形結構以及矩形結構的 元件，從當中分析不同幾何結構對於元件特性的影響。同時我們設計了場效電板 搭配這三種不同幾何結構以期待得到更佳的耐壓表現。我們成功地製作出線形、 環形和矩形三種不同的氮化鎵異質結構場效電晶體，量測其直流、崩潰電壓與元 件切換特性，並進一步觀察不同幾何結構對於元件特性的影響。實驗中線形結 構、環形結構、矩形結構的崩潰電壓分別可達 200V、270、350V 以上。除此較 高的崩潰電壓表現外，封閉式結構還可以有效地降低 current collapse 與 gate lag 的影響。封閉式結構較優越的元件特性主要有兩個原因。一：封閉式結構的閘極 只會有一處跨過主動區邊緣。二：封閉式結構不像傳統線形結構在閘極末端處有 尖端大電場的存在，於是有更加均勻的電場分佈。因此，比起傳統線形結構，封 閉式結構的設計成功地改善了元件的崩潰電壓並且減緩了 current collapse 與 gate lag 對元件的影響。

Design and Fabrication of AlGaN/GaN Heterostructure Field Effect

Transistors

Student: Yung-Chih Wang Advisor: Dr. Sheng-Di Lin

Department of Electronics Engineering and Institute of Electronics National Chiao Tung University

Abstract

In this thesis, the AlGaN/GaN heterostructure field effect transistors were investigated to achieve high breakdown voltage. Three types of geometry layout: line, ring and square gates, were designed and analyzed. The field-plate design was also used in the three kinds of device layouts to improve the device performance at high voltages. We have successfully fabricated the AlGaN/GaN HEMTs with line, ring, and square gates. Their DC, breakdown and switch characteristics were measured to study the influence of the different geometry layout on device performance. For the devices with line, ring and square gates, the breakdown voltages were higher than 200V, 270V and 350V, respectively. The devices with closed gates also showed much smaller current collapse and gate lag effects. The superior performances of the closed gate devices mainly come from two reasons. First, there is only one overlapped area between the gate finger and the mesa edge in closed gate devices. Second, unlike the traditional line gate device having higher electric field around the sharp tips of gate finger, the closed gate one has more uniform distribution of electric field. As a result, comparing with the conventional line gate structures, the closed gate structure successfully improved the breakdown voltage and eased current collapse and gate lag effects.

誌謝

本篇論文能夠順利完成，首先要感謝指導教授林聖迪博士。林教授平易近人 的風格，與其討論問題是一件很有趣的事，讓我各方面受益良多，能作為您的學 生真的很幸福。同時非常感謝李建平博士的指導，李教授清晰而嚴謹的研究態 度，使我在碩士生涯進步很多，無論是作學問的態度或是處事上都讓我成熟很 多。感謝兩位教授對我的指導，使我能夠順利的完成碩士學位。 由衷的感謝工研院李定騏博士，學長一年多以來在實驗製程與量測上的指 導，讓我在遇到各種問題都能迎刃而解，更重要的是從學長身上學到做事仔細嚴 謹的態度。感謝清大電子所林于宣學長，這一年來在研究上的指導與幫忙，以及 吳嘉益學弟，在實驗上的協助。能跟你們一起共事真的是一件很棒的事。 感謝實驗室博班羅明城學長、凌鴻緒學長以及林大鈞學長，在這兩年來的協 助與照顧，特別是羅明城學長在 E-gun 機台管理上的協助與維護。同屆的夥伴 們，浩天、旭傑、明福、靜宜、宏凱、凱鈞、逸凡、昌盛、學翰、士鵬、瑞賢， 有你們在，讓我的碩班生涯多了許多歡笑，在煩悶時有你們打氣，在高興時有你 們分享，謝謝你們。 最後要感謝我的父母親與家人多年來的照顧與支持，使我在求學的道路上無 後顧之憂，並且在人生道路上給予我不斷的協助與家的溫暖，謝謝你們。 僅以這本論文，謝謝所有支持我與關心我的人。

目錄

第一章 簡介 1 1. 1 AlGaN/GaN 異質結構場效電晶體 1 1. 2 論文架構 1 第二章 氮化鎵材料與異質結構場效電晶體 2 2. 1 材料特性比較 2 2. 1. 1 功率元件與寬能半導體 2 2. 1. 2 材料特性 3 2. 1. 3 臨界電場與導通電阻 5 2. 2 AlGaN/GaN 異質結構場效電晶體 7 2. 2. 1 元件結構 7 2. 2. 2 GaN 緩衝層設計 8 2. 2. 3 AlGaN layer 考量 9 2. 3 高壓 AlGaN/GaN HEMT 的應用 10 第三章 高壓 AlGaN/GaN 異質結構場效電晶體 12 3. 1 場效場板異質結構場效電晶體 12 3. 1. 1 場效場板結構與原理 13 3. 1. 2 場效場板設計 15 3. 2 封閉式元件設計 19 3. 2. 1 原理與設計概念 19

3. 2. 2 封閉式 GaN HEMTs layout 20

3. 2. 2. 1 環形結構 20

3. 2. 2. 2 矩形結構 23

第四章 元件製程件與量測方法 27

4. 1 平臺隔離製作 30

4. 1. 1 微影製程(lithography) 30

4. 1. 2 平台隔離蝕刻(mesa isolation etch) 32

4. 2 歐姆接觸(ohmic contact) 33 4. 2. 1 表面處理 33 4. 2. 2 金屬蒸鍍 34 4. 2. 3 剝離(lift-off) 34 4. 2. 4 快速熱退火 35 4. 3 閘極製作 35 4. 4 鈍化製程 35 4. 5 場效電板製作 36 4. 6 元件完成圖 36 4. 7 量測方法 40

4. 7. 1 Transfer Length Method (TLM) 40

4. 7. 3 霍爾量測 42 4. 7. 4 Source Resistance 42 4. 7. 5 current collapse 量測 43 4. 7. 6 Gate Lag 量測 44 第五章 結果與討論 45 5. 1 試片結構 45 5. 2 元件直流特性 46 5. 2. 1 直流特性分析 46 5. 2. 2 直流特性討論 48 5. 3 元件高壓特性 58 5. 3. 1 高壓特性分析 58

5. 3. 2 高壓特性討論 60

5. 3. 3 導通電阻分析 70

5. 3. 4 導通電阻討論 71

5. 4 Current Collapse 與 Gate lag 74

5. 4. 1 Current Collapse 與 Gate lag 分析 74

5. 4. 2 Current Collapse 與 Gate lag 討論 75

第六章 結論 78

表目錄

編號 說明 頁碼 表2-1 Si、GaAs、SiC、GaN 之材料參數比較 2 表2-2 參數表 6 表3-1 閘極場效電板 GaN HEMTs 尺寸整理表 16 表3-2 閘極汲極場效電板 GaN HEMTs 尺寸整理表 17 表3-3 環形結構 + 閘極場板之尺寸統計表 20 表3-4 環形結構 + 閘極汲極場板之尺寸統計表 21 表3-5 環形結構 + 源極場板之尺寸統計表 22 表3-6 矩形結構 + 閘極汲極場板 尺寸一覽表 25 表3-7 矩形結構 + 汲極場板 尺寸一覽表(Wg = 600μm) 25 表3-8 大閘極寬度的線形閘極結構尺寸表 26

圖目錄

編號 說明 頁碼

圖2-1 300K 下 Si、GaAs、SiC、GaN 之電子速度對電場關係圖 4

圖2-2 Si、SiC、GaN 崩潰電壓對單位導通電阻關係圖 6

圖2-3 異質結構場效電晶體(Heterostructure Filed Effect Transistor)結構 7

示意圖

圖2-4 GaN HEMTs 的應用 10

圖2-5 功率驅動系統示意圖 11

圖3-1 GaN HEMT 結構 12

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 13

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14

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 14

分布圖

圖3-5 閘極場效電板 GaN HEMT 剖面圖 15

圖3-6 閘極場效電板 GaN HEMT 元件佈局設計圖(layout) 16

圖3-7 閘極汲極場效電板 GaN HEMT 剖面圖 17

圖3-8 閘極汲極場效電板 GaN HEMT 元件佈局設計圖(layout) 17

圖3-9 源場效電板 GaN HEMT 截面圖 18

圖3-10 源極場效電板 GaN HEMT 元件設計圖(layout) 18

圖3-11 (a) Multi-finger layout (b)封閉式 layout 19

圖3-12 環形結構 + 閘極場板 layout 20

圖3-13 環形結構 + 閘極汲極場板 layout 21

圖3-14 環形結構 + 源極場板 layout 22

圖3-16 矩形結構 + 閘極場板 layout 24 圖3-17 矩形結構 + 閘極汲極場板 layout 25 圖3-18 矩形結構 + 汲極場板 layout 25 圖4-1 製作流程 27 圖4-2 影像反轉示意圖 31 圖4-3 Stencil-layer 示意圖 34

圖4-4 (a)Fat FET 50x100 μm2 (b)DC pattern 2x75μm2 36

圖4-5 (a)結合閘極場效電板之線形結構 (b)放大圖 37 圖4-6 結合汲極與閘極場效電板之線形結構 37 圖4-7 結合源極場效電板之線形結構 37 圖4-8 (a)結合閘極場效電板之環形結構 (b)放大圖 38 圖4-9 結合汲極與閘極場效電板之環形結構 38 圖4-10 結合源極場效電板之環形結構 38 圖4-11 (a) 結合閘極場效電板之矩形結構 (b)放大圖 39 圖4-12 結合汲極與閘極場效電板之環形結構 39 圖4-13 結合汲極與閘極場效電板之環形結構 39 圖4-14 TLM 金屬襯墊示意圖 40 圖4-15 總電阻與金屬襯墊間距關係圖 41 圖4-16 四點探針量測方式 41 圖4-17 source resistance 量測 42 圖4-18 輸入信號掃描模式 43 圖4-19 gate lag 量測架設 44 圖5-1 試片結構圖 45 圖5-2 閘極寬度75μm 之線形結構順向偏壓下蕭特基接面特性 51 圖5-3 閘極寬度400μm 之環形結構順向偏壓下蕭特基接面特性 51 圖5-4 閘極寬度 600μm 之矩形結構順向偏壓下蕭特基接面特性 51

圖5-5 無場效電板之線形結構汲極的電流對汲極電壓關係圖 52 圖5-6 無場效電板線形閘極結構 Id-Vｇ圖與轉導 53 圖5-7 有場效電板之線形結構 Id-Vd圖 54 圖5-8 無場效電板之環形結構 Id-Vd圖 55 圖5-9 無場效電板環形閘極結構 Id-Vｇ圖 55 圖5-10 無場效電板之矩形結構 Id-Vd 55 圖5-11 無場效電板矩形閘極結構 Id-Vｇ 56 圖5-12 不同閘極寬度對單位汲極電流關係圖 56 圖5-13 不同閘極寬度對轉導的關係圖 56 圖5-14 源極金屬層光罩示意圖 57 圖5-15 場效電板元件電廠分布圖與介電層關係 61 圖5-16 線形結構最高崩潰電壓量測圖 63 圖5-17 環形結構最高崩潰電壓量測圖 63 圖5-18 矩形結構最高崩潰電壓量測圖 64 圖5-19 閘極電板線形結構 Lgd=8μm 和 12μm 崩潰電壓分布圖 64 圖5-20 閘極電板線形結構 Lgd=16μm 和 20μm 崩潰電壓分布圖 65 圖5-21 閘極汲極電板線形結構崩潰電壓分布圖 65 圖5-22 源極電板線形結構崩潰電壓分布圖 66 圖5-23 閘極電板環形結構 Lgd=16μm 和 20μm 崩潰電壓分布圖 66 圖5-24 閘極汲極電板環形結構崩潰電壓分布圖 67 圖5-25 閘極電板矩形結構 Lgd=8μm 和 12μm 崩潰電壓分布圖 67 圖5-26 閘極電板矩形結構 Lgd=16μm 和 20μm 崩潰電壓分布圖 68 圖5-27 閘極汲極電板矩形結構崩潰電壓分布圖 68 圖5-28 源極電板環形結構崩潰電壓分布圖 69 圖5-29 off state 線形結構與矩形結構漏電流 69 圖5-30 線形結構導通電阻的分布圖 73

圖5-31 環形結構導通電阻的分布圖 73 圖5-32 矩形結構導通電阻的分布圖 73 圖5-33 線形結構 current collapse 量測結果 76 圖5-34 矩形結構 current collapse 量測結果 76 圖5-35 線形結構 gate lag 量測結果 77 圖5-36 矩形結構 gate lag 量測結果 77

第一章 簡介

1. 1 AlGaN/GaN 高電子遷移率電晶體

AlGaN/GaN high electron mobility transistors(HEMTs) 由於低導通電阻，高電 流密度，大崩潰電壓的優勢，因此就高功率電子上的應用是個熱門的研究課題。 而這最主要歸功於GaN卓越的材料特性，例如寬能隙(bandgap)、高臨界電場 (critical electric field)與高電子飽和速度(saturation velocity) 。此外GaN獨特的極

化 效 應 使 得 AlGaN/GaN 異 質 結 構 在 界 面 附 近 會 感 應 形 成 二 維 電 子 氣 (two dimensional electron gases)，這使得AlGaN/GaN HEMTs能夠輸出大電流工作，而

且有非常低的導通電阻。 較高的崩潰電壓，將使電晶體可以操作在較高電壓以達到高功率應用的需 求。為了讓元件即使在如此嚴峻的高壓環境下操作，仍然維持穩定的表現，元件 耐壓程度的改良是個很重要的議題。本論文當中藉由元件的佈局設計(layout)來 做改善，設計了三種不同的幾何結構，並且搭配場效電板(field plate)進一步強化 元件耐壓程度，進行比較與更深入的探討。

1. 2 論文架構

在第二章的氮化鎵材料與高電子遷移率電晶體中，我們介紹GaN材料性質， 並與其他材料做比較，此章也介紹了AlGaN/GaN HEMTs的工作原理以及設計準 則，最後對於元件的應用作一個介紹。在第三章中，我們將詳敘本論文中元件結 構設計的原理與概念，藉由幾何結構的變化與場效電板的應用，達成提升元件的 耐壓能力。第四章是元件製程與量測方法。第五章則是結果與討論。分別就直流、 高壓current collapse與gate lag等元件操作特性的表現作分析，並且從當中對各種 結構作比較與討論，最後在第六章做一個總結。

第二章 氮化鎵材料與異質結構場效電晶體

2. 1 材料特性比較

2. 1. 1 功率元件與寬能隙半導體

隨著時代的進步，功率元件在市場上的需求與科技上的應用也越趨於重要。 例如在車用電子、功率切換器、基地台等等，功率元件扮演著舉足輕重的角色。 長久以來，矽半導體一直是高壓功率元件在材料上的主要選擇。然而隨著技術不 斷進步下，由於矽材料本身的電子遷移率以及臨界崩潰電場的限制，矽功率元件 的發展也逐漸逼進材料本身能表現的極限。因此該如何有效地降低特性導通電阻 ( specific on resistance, on resistance per square centimeter )並且同時提升元件的切 換速率，已經成為功率半導體研究方面非常重要的一個重要議題。為了克服材料 本身所造成的極限，寬能隙半導體(wide bandgap semiconductors)在功率元件上的 應用在近幾年來已經開始被廣泛地研究。

寬能隙半導體材料，尤其是 SiC 與 GaN，因為它擁有許多超越矽功率元件

的優點，例如操作溫度、高臨界電場、高飽和漂移速度等等，這些優勢使得他們 在功率電子中成了非常有潛力而且備受矚目的研究材料。

2. 1. 2 材料特性

在寬能隙半導體材料中以SiC 和 GaN 最受人們所期待，在本節中對這兩個

材料的特性作比較，並且同時與 Si 作一個對應比較。

一般元件在高溫下操作時，純質載子濃度(intrinsic carrier density)急劇提升，

這將使得元件漏電流上升，由式(2-1)[5]可得知，SiC 和 GaN 因為寬能隙的關係， 有非常低的純質載子濃度，這項優點使SiC 和 GaN 元件在高溫下操作時相對於 一般元件有較小的漏電流。另外因為兩種材料都擁有比 Si 更高的臨界電場，所 以在相同的導通電阻的條件下可以有更高的操作電壓。另外因為有不錯的熱傳導 係數(thermal conductivity)，熱傳導能力好，可以更快的降低接面溫度，降低熱效 應對元件的影響。這些都使得寬能隙材料非常適合拿來做高功率元件的應用。接 下來參見圖2-1 與表 2-1，作一些材料特性的比較。 x ( ) kT E p e N N n_i = _{C D} − g (2-1) 能隙 (eV) 熱傳導係數 (W/cm-K) 電子遷移率 (cm2/V-s) 介電常數 崩潰電場 (MV/cm) Si 1.1 1.5 1500 11.8 0.3 GaAs 1.41 0.5 8500 12.8 0.4 SiC (4H) 3.26 4.5 700 10 3 GaN 3.4 1.1 1000-2000 9 3.5 表2-1 Si、GaAs、SiC、GaN 之材料參數比較[4]。

電子遷移率

圖2-1 比較幾種功率元件常用材料的電子飄移速率(drift velocity)對電場的關

係圖。Si 的電子速度是最慢的，飽和速度只約 5x106m/s。GaAs 雖然有很高的電

子遷移率(8500 cm/V-s)，但 GaAs 在小電場下就達到峰值速度(peak velocity)，而

且中高電場下的飽和速度甚至低於Si。至於 SiC 半導體雖然可以承受高電場，然 而電子遷移率過低(400 cm/V-s)，在峰值速度的表現亦不如 GaN 出色。由於 GaN 有不錯的電子遷移率，峰值電子速度更高達2.7x107cm/s。因此可以看出 GaN 半 導體在高速以及高功率相關應用市場的優勢與潛力。 圖2-1 300K 下Si、GaAs、SiC、GaN之電子速度對電場關係圖[1] 崩潰電場 (Breakdown Field) GaN 的崩潰電場高達 3.5MV/cm[4]，優於 GaAs、Si、SiC。因此，氮化鎵異

質結構場效電晶體(GaN Hetero-structure Field Effect Transistors)可承受數十伏特 甚至上百伏特的高崩潰電壓。對於高電壓的應用上這是很大的優勢。

總體而言，GaN 可以說是將來最適合製作先進功率元件的半導體材料之一，

由於它的寬能隙，不錯的電子移動率、熱傳導係數與優越的崩潰電場，使它同時 兼具高速、高溫、高功率、低雜訊的優點。

2. 1. 3 臨界電場與導通電阻

[2]

在1982 年，Baliga 在功率場效電晶體中，為了定義材料參數以達到最大崩

潰電壓與最小傳輸損耗之間的取捨，導出相關指標Baliga's Figure of Merit

[3]_{，在此µ代表遷移率(mobility)，E} C代表臨界電場(崩潰電 場)，ε代表介電常數，BFOM敘述在功率元件中藉著摻雜的濃度調整做出導通電 阻(Ron)與崩潰電壓(VB)兩者之間的抉擇取捨(trade-off)。 3 c E BFOM =ε⋅μ⋅ 對一個陡峭pn接面，當電場達到崩潰電場時會發生雪崩崩潰(Avalanche breakdown)，此時的崩潰電壓為飄移層對電場的積分，即V_B =(E_C⋅W_D)/2，WD 是飄移層寬度，而飄移層的導通電阻可寫為 ，

VB是崩潰電壓( breakdown voltage, V )，Eg是能隙能量( bandgap energy, eV )，μe 是電子遷移率( electron mobility, cm2/Vs )，ε是介電常數( permittivity, F/cm )，ND

是pn接面低摻雜邊的摻雜濃度(cm-3)。而臨界電場與能隙之間的關係可由式(2-2) 來表示，再經由一些數值上的計算與處理，特性導通電阻可以寫成包含材料能隙 與電子遷移率的關係式，式(2-3)可以作為不同半導體之間比較的一個參考 : ) /( e 3 D q W R= μ ND)=4VB2/(εμeEC 4 3 8 1 7 10 02 . 1 D G c N E q E ε × = (2-2) RONsp = ε μ 3 3 2 4 a E V e n G B − (2-3)

其中 RONsp 是特性導通電阻(specific on resistance, Ω-cm-2)，a 是匹配參數

a n Indirect Bandgap 2.3818 × 105 1.995 Direct Bandgap 1.7348 × 105 2.506 表2-2 參數表[2] 由式(2-1)可以看出，功率電晶體中崩潰電壓的最大化與導通時功率損失的最 小化之間的關係。這個指標是以功率元件中導通電阻與崩潰電壓之間的取捨作為 衡量。 藉著式(2-1)分別對 Si、SiC、GaN 做導通電阻對應於崩潰電壓的關係圖，可 以得到圖2-2。由圖 2-2 可以更清楚地了解特性導通電阻對應於崩潰電壓的關係， 因此可以更明顯的看出寬能隙的半導體元件對應於功率半導體有較大的優勢，因 為可以擁有較小的導通電阻以及較大的崩潰電壓。在此我們也同時可以注意到， 在同樣的崩潰電壓下，GaN 的導通電阻比起 SiC 幾乎將近少了快一個數量級， 因此有更少的功率散逸，這主要的原因在於GaN 比起 SiC 有較高的電子遷移率， 這也是GaN 這個材料比起 SiC 的一個主要優勢。102 102 10-8 102 ₁₀3 ₁₀4 S p ec ific On R esist an c e (Oh m -c m 2) Breakdown voltage (V) 100 10-2 10-4 10-6 圖2-2 Si、SiC、GaN 崩潰電壓對特性導通電阻[2]

2. 2 AlGaN/GaN 異質結構場效電晶體

2. 2. 1 元件結構

圖2-3 為異質結構場效電晶體(Heterostructure Field Effect Transistor)結構示 意圖。在AlGaN 的異質界面下會形成低阻値的二維電子氣。汲極(Drain)與源極 (Source)形成歐姆接觸(Ohmic Contact)，並且透過二維電子氣當作通道來導通電 流，同時使用金屬-半導體形成的蕭特基接觸(Schottky Contact)來製作閘極。爲達 成熱平衡，在金屬接面下方的半導體會產生空乏區。空乏區大小與半導體的雜質 濃度以及外加電壓有關。施加反向電壓時，蕭特基二極體不導通。在半導體部分 的空乏區會隨反向電壓增大而增長，驅趕通道中的載子，電流降低。因此藉由調 變閘極反向電壓可調變通道的電流。 (a) ON (b) OFF

圖 2-3 異質結構場效電晶體(Heterostructure Filed Effect Transistor)結構示意圖

AlGaN/GaN HEMT 一個很大的優點就是它在異質界面下形成的二維電子

氣，由於二維電子氣使得元件能有很高的電子移動率，進而有效的大幅地降低導 通電阻與提高電流值，這對於功率元件而言是個非常吸引人的優點。

2. 2. 2 GaN 緩衝層設計

由於sapphire 基板與GaN之間有著嚴重的晶格常數不匹配(lattice mismatch)

的 問 題 ， 爲 了 得 到 良 好 的 磊 晶 品 質 與Ga-face 晶 體 ， 會 先 成 長 一 層 成 核 層

(nucleation layer)，與高達3~4 µm厚無摻雜質的氮化鎵(unintentional doped GaN) 緩衝層。目的是使磊晶層附近有最少的缺陷(defects)、差排(dislocation) 、阱 (trap)、不平整(roughness)等等，使AlGaN/GaN 結構達到最好的平整度與磊晶品 質。若氮化鎵緩衝層小於2µm 以下，表面的不平坦程度明顯，使得2DEG mobility 下降。一般來說，緩衝層設計在3 µm 以上是比較恰當的。 就電性元件而言，氮化鎵緩衝層關切的議題為：高阻質、低漏電、低背景載 子濃度。緩衝層的缺陷會成為電子或電洞的缺陷捕抓中心，而造成元件漏電情形 發生。若背景載子濃度過高，將使得緩衝層阻質降低，造成部分源極往汲極方向 的電子流經由底下的緩衝層而非經由元件主動區(mesa)。這些因素所造成的漏電 流都無法被閘極所完全控制，而使得元件截止特性不夠理想。此外背景載子濃度 過高亦導致高介面電容(junction capacitance)，影響元件高頻特性。

2. 2. 3 AlGaN layer 考量

鋁組成

鋁組成升高會增加二維電子氣濃度。對高功率元件而言，二維電子氣濃度越高才 能提供大電流操作，是一項非常重要的指標。然而太高的鋁成分會有結晶塊(grain) 並且會材料介面出現應力釋放(strain relaxation)的問題。此外鋁組成超過40-45% 時，不容易製作低阻値之歐姆接觸，一般來說鋁組成範圍在0.2到0.4之間。

Modulation doping

對於砷化鎵系列的HEMT而言，爲了得到足夠的二維電子氣載子濃度，modulation doping是必要的。但對於氮化鎵材料系統，modulation doping就並非必要。因為 極化效應就可感應出足夠的載子量，同時亦可降低impurity scattering對二維電子 氣電子遷移率的影響。此外，modulation doping會在閘級下方產生電場，導致元 件截止時，閘極穿隧漏電流(gate tunnel leakage current)增加，不易製作出高品質 的蕭特基接觸。所以通常在使用modulation doping時，通常會在上面再長一層 undoped的AlGaN，藉此改善蕭特基接觸。此外modulation doping 有助於降低歐 姆接觸電阻，這也要納入設計考量之內。

AlGaN 厚度

就AlGaN/GaN異質結構而言，AlGaN厚度直接牽涉到載子濃度、strain relaxation 與磊晶品質的問題。因此，AlGaN厚度對於元件的臨界電壓(threshold voltage)、 轉導(transconductance)以及其他相關的元件特性有相當程度的影響。因此在 AlGaN厚度的設計上必須考量這些議題與需求。合理的厚度範圍約在20nm到 30nm左右。

2. 3 高壓AlGaN/GaN HEMT的應用

圖2-4為功率半導體元件的應用操作範圍。評估GaN HEMTs的電壓與電流操 作範圍可達到一到兩千伏特與數十安培。GaN HEMTs的應用涵蓋電力供應、馬 達控制、工廠自動化和車用電子等等。

GaN region

圖2-4 GaN HEMTs的應用[3] 例如圖2-5為一個高功率驅動系統示意圖，功率系統包含直流濾波區、功率 轉換器等等，用來處理及傳送功率到不同的數位或類比端(包含數位信號處理器 DSP與微處理器等等)，這些功率轉換器一般都操作在數瓦特到數百瓦特之間， 而 且 必 須 將 不 規 律 的 直 流 輸 入(28-500V) 轉 換 成 良 好 而 且 規 律 直 流 輸 出 (1.5-12V)。為了降低在連結處的延遲、電磁雜訊、寄生(parasitics)和功率損失， 同時又要提供良好且規律的輸出，所以功率轉換器必須非常趨近他們所驅動的負 載所以又叫作接點負載節器( point of load regulators )。GaN功率元件其電壓可操

作在100-1500V以及電流操作在1-10A，同時擁有非常低的導通電阻和輸入輸出 電容，且操作溫度可以高於250℃，這些優勢對於提升功率轉換器效能有極大的 幫助。 圖2-5 功率驅動系統示意圖，GaN對不同的數位及類比負載提供功率[6] 。

第三章

高壓 AlGaN/GaN 異質結構場效電晶體

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

_gs

L

_g

L

_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 V} d = 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

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

_gs

L

_g

L

gfp

L

_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。

L

_gs

L

_g

L

gfp

L

_gd

L

dfp 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

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。 L_gs L_g L_sfp L_gd 圖3-9 源場效電板 GaN HEMT 截面圖

S

G

S

D

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)

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

第四章 元件製程件與量測方法

本次製程使用五道光罩，分別為(1)平臺隔離(mesa isolation)；(2)歐姆接觸(ohmic contact)；(3)閘級製作(gate contact)；(4)鈍化製程(passivation )；(5)場效電板(field plate)，流程如圖4-1所示

(1)平臺隔離(mesa isolation)

(2)歐姆接觸(ohmic contact)

圖4-1 製作流程(b)

(3)閘級製作(gate contact)

(4)鈍化製程(passivation)

圖4-1 製作流程(d)

(5)場效電板(field plate)

4. 1 平臺隔離製作

平臺隔離(mesa isolation)通常是元件製程的第一步驟。藉由平臺隔離定義出主動 區(active region)，進而控制一導電性薄片上表面區域的電流方向，使每一個元件各 自獨立操作而不受彼此干擾。 因為氮化鎵緩衝層具半絕緣特性(semi-insulated)，所以利用蝕刻技術，將獨立元 件之間的磊晶層移除，蝕刻深度達到半絕緣特性的緩衝層的位置便可達到絕緣的效 果。若緩衝層絕緣特性不佳，部分電子便會經由緩衝層流至汲極，其電流無法完全 受閘極電壓所控制而使元件在關閉時產生較高的漏電流。因此，緩衝層的品質好壞、 絕緣特性對元件的截止特性有決定性的影響 。 製作平臺隔離主要的好處除了能有效控制電流在主動區內的流向之外，將閘極 金屬置於絕緣區可有效降低閘極金屬襯墊下所產生的寄生電容效應，這可有效的改 善元件之高頻特性。由於氮化鎵的材料系統上，並無適當濕式蝕刻溶液。因此我們 採用感應耦合電漿(Inductively Couple Plasma，ICP)乾式蝕刻方式進行平臺蝕刻。

4. 1. 1 微影製程

光阻的選擇上，使用AZ5214E反轉型光阻，此光阻為專為lift-off 製程所設之光 阻。一般正光阻曝光後因繞射特性之影響，造成光阻上方所接受之曝光劑量高於光 阻底部所接受之曝光劑量，這使得圖像側壁角度依曝光條件不同約為75o～85o，這 將使元件蒸鍍金屬時因側壁附著金屬，當lift-off時，剝離液不易流入溶解光阻。而 反轉型光阻利用相同之繞射特性，在經圖像反轉後，反能將上端接受曝光劑量較多 之光阻保留下來，造成負側壁角度(under cut)，這使得lift-off之成功率提高許多。曝 光程序及反轉過程如圖4-2所示，曝光及對準過程中需注意處四點：

1. 光 阻 厚 度 對 線 寬 影 響 ： 若 光 阻 過 厚 不 易 曝 出 小 線 寬 ， 但 若 過 薄 則 不 利 於 Lift-off。 2. 邊緣光阻之去除：試片邊緣隆起之光阻將妨害對準及密接。 3. 密接(close contact)之確實：不確實之密接曝光時之漏光將使圖案走樣。 4. 曝光劑量：image時，過高之劑量將造成線寬下降與鍵結過多使lift-off時光阻無 法除淨，但劑量過少將使線寬上升。flood時，過高之劑量將造成線寬上升與側 壁崩解，但劑量過少將使光酸不足造成定義區光阻無法去除。 1. 經由轉速控制光阻厚度

wafer

AZ-5214E 2. 軟烤降低溶劑含量

wafer

AZ-5214E AZ-5214E 3. Image Exposure 經由曝光，形成一種PH值較其 它未曝光光阻低的酸性光阻

wafer

AZ-5214E

AZ-5214E _{4. Post Bake}

曝過光的光組經過烘烤後，會 經由一種酸的催化機制而產生 cross-link

wafer

AZ-5214E AZ-5214E 5. Flood Exposure 整面曝光後，先前未反應之 區域進行反應

wafer

AZ-5214E _{6. Develop} 顯影時，含酸性光阻處比鍵 結處之光阻快80~100倍溶 結速度 圖4-2 影像反轉示意圖

4. 1. 2 平臺隔離蝕刻(Mesa isolation etch)

利用離子輔助蝕刻(ion-enhanced etching)做平臺隔離之蝕刻。平臺隔離蝕刻時需 注意蝕刻深度之控制，若蝕刻深度不足，元件之漏電流變大且元件與元件間無法完 全隔離。若蝕刻深度過深，在蒸鍍金屬時，連接平臺與探點之界面容易斷裂。合理 之蝕刻深度約1000~2000Å。

4. 2 歐姆接觸(ohmic contact)

金屬接觸的導電機制主要有兩方面：thermionic emission 與tunneling 機制。 Thermionic機制需要功函數夠低的金屬來製作較好的歐姆接觸。Tunneling機制則可 透過提高半導體雜質掺雜濃度與高溫快速退火來達成。

4. 2. 1 表面處理

1. UV-OZONE 表面處理 在黃光顯影製程之後，UV-OZONE表面處理可以氧化、去除在歐姆接觸區表面的殘 餘光阻。使得歐姆接觸電阻不至於受到殘餘光阻的影響而上升。 2. 電漿表面處理 在鍍歐姆接觸金屬之前，我們用低偏壓功率的氬離子(Ar)電漿對氮化鎵進行表面處 理(surface treatment) 。 在 低 偏 壓 下 氬 離 子 電 漿 的 蝕 刻 速 率 非 常 慢 ， 大 約 只 有 100~200Å/min。此外，氬離子電漿會對氮化鎵表面造成晶格損害(lattice damage)且 增加了氮原子空洞(nitrogen vacancy)的密度，因此可以有效地增加在歐姆接觸區域 附近的表面電子濃度，而得到較好的歐姆接觸。一般來說，經過電漿表面處理後的 接觸電阻可由3Ω-mm降至0.5Ω-mm左右，所以利用電漿表面處理的方式可以大幅地 改善元件的特性。 3.鹽酸(HCl)浸泡表面處理 由 於 表 面 的AlGaN 與 空 氣 接 觸 因 而 氧 化 形 成 阻 値 較 高 的 原 生 性 氧 化 層 (native oxide)。在鍍上歐姆接面金屬之前，使用鹽酸水溶液浸泡表面處理可以去除原生性 氧化層，藉此降低歐姆接面的接觸電阻。

4. 2. 2 金屬蒸鍍

歐姆接觸金屬為Ti/Al/Ti/Au。快速退火(RTA, Rapid Thermal Annealing)之後， Ti會跟氮化鎵的氮反應，形成具金屬特性薄層TiN，同時也會產生許多氮空洞(N vacancy)，在接觸區域增加載子濃度，因此形成歐姆接觸。Al則跟部份Ti形成TiAl 合金同時保護表面不受氧化。最上層的金則作為接觸電極之用(contact pad)。

4. 2. 3 剝離(Lift-off)

Lift-off 技術成像原理，首先微影製作出一層反像的圖樣，此層我們稱之為 Stencil-layer 如 圖 4-3 ， 再 將 金 屬 全 面 蒸 鍍 在 試 片 上 ， 最 後 浸 泡 試 片 在 只 溶 解 Stencil-layer的溶液中。在Stencil-layer上的金屬便隨著Stencil-layer的溶解而剝落，藉 此方式我們不但可以避免蝕刻過程而仍能得到我們所希望的金屬圖樣，同時也減少 製程的步驟。 Stencil-layer

metal

metal

圖4-3 Stencil-layer示意圖 Lift-off製程技術雖然方便，但對初使用者而言，失敗的機率是蠻高的。成功的 先決條件在於光阻是否形成適當的輪廓，如果光阻底部向兩側凹入，呈現蕈狀結構 (mushroom)，則可確保金屬在蒸鍍後並不會完全連接住而是在金屬與光阻間能保留 一個空隙。在浸入去光阻液後，便可使溶液與光阻反應，輕易地將光阻去掉。另外 蒸鍍金屬時須確定蒸鍍腔的溫度不可過高，光阻因高溫而變質也是導致lift-off失敗 的主因之一。此外光阻亦不可過薄，否則也會導致lift-off失敗。

4. 2. 4 快速熱退火(Rapid Thermal Annealing, RTA)

在金屬的退火過程中，適當的溫度和時間是重要的參數，一般的退火溫度在 750℃左右，隨系統差異有所不同，退火的過程中為了避免表面金屬氧化導致接觸電

阻上升，所以一般會通入氮氣或forming gas(15％ H2, 85％N2)作為anealing ambient，

本實驗中anealing ambient為通入氮氣。

4. 3 閘極製作

閘極製作為整套流程中最重要之步驟，利用金屬與半導體接面之蕭特基接觸所 產生之空乏區可經由外加偏壓來控制其寬度大小，進而控制通道中之電流，蕭特基 閘極製作好壞之考量主要有四項要素： （1） 理想因子(ideality factor)

（2） 蕭特基能障(Schottky barrier height) （3） 閘極漏電流(gate leakage current) （4） 崩潰電壓(breakdown voltage) 製作時，一般選擇白金(Pt)與鎳(Ni)等高功函數(work function)的金屬來降低閘極 漏電流。白金的功函數比鎳高，可以製作出具較低閘極漏電流、具更高蕭特基能障 與耐壓的蕭特基閘極。但鎳在氮化鎵表面的吸附力比白金好，不易脫落。因此大多 數的小線寬元件採用鎳作為閘極材料。

4. 4 鈍化製程

鈍化(passivation)之主要目的為減少晶片表面surface trap對元件特性之影響。鈍 化 製 程 主 要 是 利 用 電 漿 增 強 化 學 氣 相 沉 積 (Plasma-Enhanced Chemical Vapor

Deposition, PECVD) 在元件表面上沉積一層SiNx膜，再利用活性離子蝕刻(Reactive

4. 5 場效電板製作

在場效電板的製程，為了提升光阻在SiNx上的附著力與方便lift-off我們使用雙層

光阻，第一層使用LOR當作附著層光阻，再上一層AZ-5214E來定義pattern，蒸鍍的 金屬我們選用Ti/Au。

4. 6 元件完成圖

圖4-4 (a) Fat FET 50×100 μm2

(a) (b) 圖4-5 (a)結合閘極場效電板之線形結構 (b)放大圖

圖4-6 結合汲極與閘極場效電板之線形結構

(a) (b) 圖4-8 (a)結合閘極場效電板之環形結構 (b)放大圖 圖4-9 結合汲極與閘極場效電板之環形結構 圖4-10 結合源極場效電板之環形結構

(a) (b)

圖4-11 (a) 結合閘極場效電板之矩形結構 (b)放大圖

圖4-12 結合汲極與閘極場效電板之環形結構

4. 7 量測方法

4. 7. 1

Transfer Length Method (TLM)

我們利用Transfer Length Method (TLM)量測粹取出特性接觸電阻(specific

contact resistivity，ρ_c)，以及其他重要歐姆接觸的參數。TLM模型源自於Shockley的

提出。如圖4-14所示，TLM元件是由幾個不同間距的相鄰金屬襯墊所構成的，電流 流向是一維的。任意兩個相鄰金屬襯墊間的總電阻為 ) 2 ( 2 2 T s T s s c s T d L Z Z L Z d R Z d R = ρ + ≈ ρ + ρ = ρ + (4-1) 其中transfer length定義為 s c T L ρ ρ = 2 ； d是兩個相鄰襯墊的間距；Z是金屬襯墊的寬 度；而ρs是半導體的的薄片電阻 針對不同的接觸間距，d1、d2、d3、d4、d5，測量其全部電阻。然後對全部電阻 RT與襯墊間的間距d做圖，如圖4-15所示。其中有三個參數可從圖中決定：第一個參 數為薄片電阻ρs，由斜率ΔRT/ Δd＝ρS/ Z得到；第二個參數為接觸電阻Rc，由y軸的截 距得到；第三個參數為transfer length LT，由x軸的截距得到。最後，特性接觸阻ρc， 可由上述的參數LT、ρs、整理得出，其關係式為 Z slope y ercept LT s c = = ]× * 4 )) ( (int [ 2 2 ρ ρ (4-2) 圖4-14 TLM金屬襯墊示意圖

圖4-15 總電阻與金屬襯墊間距關係圖 而總電阻RT之量測，是以四點探針排列的量測方法，如圖4-16所示，以探針1 及探針2做為電流源，通入電流後藉由探針3及探針4量測電壓後求得總電阻RT。利 用此法時探針3及探針4宜盡量靠近金屬內側，以降低金屬本身阻值之影響。 圖4-16 四點探針量測方式 圖4-15同時也是本次所使用的晶片TLM量測的結果 接觸電組 Rc = 2.148 ohm-mm 薄片電阻 ρs = 442.53 ohm/square

4. 7. 3 霍爾量測

遷移率及載子濃度通常被作為磊晶品質的重要指標，同時對於元件的表現有很 關鍵性的影響。量測遷移率與載子濃度最方便可靠的方式為霍爾量測，這是由Van der Pauw所提出。利用四個阻値對稱的歐姆接觸電金屬，施加5000高斯(Gauss)的磁 場，計算得到電阻率(resistivity)。以電壓計量測霍爾電壓，求得霍爾係數(Hall Coeffieicent)。最後經由下兩式運算可得材料載子濃度與遷移率。 (4-3) (4-4) (q: 電子電荷1.60218x1019C)

4. 7. 4 Source Resistance量測

源極電阻對於分析場效電晶體的增益與轉導有很大的參考價值，同時來對於導 通電阻(on resistance)的分析也有很大的幫助。圖4-17是電晶體內的等效電路，汲極 端給不同定電流，量測閘極電壓電流的關係，可得下式(4-5)、式(4-6)，聯立推出源 極電阻，式(4-7)。 s d s g g g I R R I R V ₁= ( + )+ ₁× (4-5) s d s g g g I R R I R V ₂= ( + )+ ₂× (4-6) 1 2 1 2 d d g g s I I V V R − − = (4-7) 圖4-17 source resistance量測

4. 7. 5 current collapse量測

元件表面條件的優劣在高功率GaN HEMTs中是一個很重要的研究議題，因 為元件效能表現好壞對於表面處理非常敏感。current collapse和gate lag就與元件 表面條件有很大的相關。當元件關閉時，閘極對汲極因為逆偏壓而存在一個大電 場，造成閘極處有少量的漏電流，這些漏電流的電子被表面狀態(surface state)補 捉，因此在表面形成負電位而空乏下方通道的二維電子氣，當元件開啟時因為放 電時間常數的關係，被捕陷的電子無法立即被釋放而使通道無法立即全部開啟， 造成元件剛導通時電流的衰減。因此current collapse與gate lag可以當作觀察元件 表面狀況一個很重要的參考。

由於current collapse 在輸入電壓快速切換時才會出現，以HP4145之step量測 無法測得，需以Tek370 curve tracer量測。Curve tracer之輸入訊號如圖4-18所示， 以60Hz Sine wave sweep並且不斷重複連續掃瞄而不像HP4145的單次掃瞄，如此 才能順利量得current collapse現象。

HP4145 Tek370 curve tracer DC measurement 60Hz rectified sine wave

4. 7. 6 Gate Lag 量測

Gate lag成因與current collapse一樣，主要是因為表面缺陷所捕捉的電子在

元件導通時來不及被釋放而繼續對通道空乏，這使得通道較慢導通，造成輸出電 壓所需上升時間增加，影響元件的切換特性。

Gate lag量測架構圖如圖4-19，在閘極給予某特定頻率、偏壓從零到臨界電 壓之方波，汲極給一個定電壓源，源極接上一電阻，從示波器上觀察電阻上導通 電流對時間的關係，藉此了解元件的切換特性。 圖4-19 gate lag量測架設

第五章 結果與討論

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。

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。 觀察閘極寬度對應於轉導的變化，可以發現隨著閘極寬度增加，轉導跟著降 低，這主要是因為熱效應(thermal effect)所造成，大電流操作下將使得元件操作 溫度上升，溫度升高加劇了晶格原子的熱振動，而對電子的運動產生了散射效 應，也就是所謂的晶格散射(lattice scattering)，這使得電子遷移率的下降。電子 遷移率的衰減最明顯的影響就是造成元件操作電流下降，進而導致轉導跟著衰 減。由圖 5-13 我們可以很明顯的看出這個趨勢，特別是當閘極寬度超過 300μm 時，轉導的衰減顯得更加明顯。閘極寬度對應於轉導的變化的關係圖對於元件的 製作是一個很重要的參考指標，對於將來元件尺寸上的設計以及特性上的需要有 很大的參考價值。此外本次實驗之所以熱效應對元件特性造成明顯的衰減有一個 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 1E-12 1E-11 1E-10 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 0.1 1 0.000 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 ring structure Wg=400μA Ig(A) Vg(V) 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 1E-12 1E-11 1E-10 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 0.1 1 0.000 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 line structure Wg=75μA Ig( A ) Vg(V) 圖5-2 閘極寬度75μm 之線形結構順向偏壓下蕭特基特性 圖5-3 閘極寬度400μm 之環形結構順向偏壓下蕭特基特性 圖5-4 閘極寬度 600μm 之矩形結構順向偏壓下蕭特基特性 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 1E-12 1E-11 1E-10 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 0.1 1 0.000 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 square structure Wg=600μA Ig(A) Vg(V)

0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 Id (mA) Vds (V) Vg,top=1 step=-1 E1, 2x75 Lgd=8 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 Id (mA) Vds (V) Vg,top=1 step=-1 E13, 2x75 Lgd=12 (a) Lgd = 8μm (b) Lgd = 12μm 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 Id ( m A) Vds (V) Vg,top=1 step=-1 E25, 2x75 Lgd=16 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 Id ( m A) Vds (V) Vg,top=1 step=-1 E41, 2x75 Lgd=20 (c) Lgd = 12μm (d) Lgd = 20μm 圖 5-5 無場效電板之線形結構汲極的電流對汲極電壓關係圖(Id-Vd圖)

-4 -2 0 2 0 5 10 15 20 25 30 E1, 2x75 Lgd=8 V_D=9V Lgfp=0, Ldfp=0 V_G (volt) I D (m A ) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Gm ( m S /m m ) (a) Lgd = 8μm (b) Lgd = 12μm -4 -2 0 2 0 5 10 15 20 25 30 E13, 2x75 Lgd=12 V_D=9V Lgfp=0, Ldfp=0 V_G (volt) I D (m A ) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Gm ( m S /m m ) -4 -2 0 2 0 5 10 15 20 25 30 E25, 2x75 Lgd=16 V_D=9V Lgfp=0, Ldfp=0 V G (volt) I D (m A ) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Gm ( m S /m m ) -4 -2 0 2 0 5 10 15 20 25 30 E41, 2x75 Lgd=20 V_D=9V Lgfp=0, Ldfp=0 V_G (volt) I D (m A ) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Gm ( m S /m m ) (c) Lgd = 12μm (d) Lgd = 20μm 圖5-6 無場效電板線形閘極結構 Id-Vｇ圖與轉導

(a) Lgfp=2μm (b) Lgfp=3μm 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 Id (mA) Vds (V) Vg,top=1 step=-1 E45, 2x75 Lgd=20 Lgfp=2 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 Id (mA) Vds (V) Vg,top=1 step=-1 E49, 2x75 Lgd=20 Lgfp=3 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 Id (mA ) Vds (V) Vg,top=1 step=-1 E53, 2x75 Lgd=20 Lgfp=4 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 Id (mA) Vds (V) Vg,top=1 step=-1 E57, 2x75 Lgd=20 Lgfp=5 (c) Lgfp=4μm (d) Lgfp=5μm 圖 5-7 有場效電板之線形結構 Id-Vd圖