顧鴻壽、林志杰 / 台北海洋科技大學創新設計學院
氧化鎵半導體電力電子元件所面臨的問題
在氧化鎵半導體電力電子元件所面臨的問題方面，將針對「蕭特基二極體(SBD)開發現況及其問題」以及「金氧半場效電晶體開發現況及其問題」等兩方面來探討之。
就「蕭特基二極體開發現況及其問題」而言，將分為「β-Ga2O3晶圓片基板上的蕭特基二極體 」以及「α-Ga2O3晶圓片基板上的蕭特基二極體 」等二個面向來討論。圖四為代表性的蕭特基二極體元件構造橫截面模型圖。首先，「β-Ga2O3晶圓片基板上的蕭特基二極體 」，已經證實成功地製作出可耐1.0 kV高壓的β-Ga2O3蕭特基二極體，使用緣邊定義膜片進料長晶法所生產的單結晶晶圓片上，形成10.0 μm左右厚度的矽摻雜磊晶層，並以鎳(Ni)或鉑(Pt)作為蕭特基二極體的電極。大多數也使用鈦/金(Ti/Au)電極，以使晶片內部形成歐姆接觸。高耐壓特性依長晶中所存在的缺陷有關連性，電極越小(直徑20.0 μm)而可耐壓1.6 kV(特性導通電阻25.0 mΩcm2)、基於低電阻化而直徑500 μm時只可得到耐壓250 V。
圖四、代表性的蕭特基二極體(SBD)元件構造的橫截面模型圖 (a) β-Ga2O3所製作的SBD；(b) α-Ga2O3所製作的SBD
在考量控制元件的耐壓特性上，由於有電極端產生電場集中的現象，為了避免此一電場集中的現象，在電極周邊導入所謂的『電場平板(Field Plate; FP)』構造。以鹵化物氣相磊晶法所成長出的摻雜濃度2.0×1016 cm-3 磊晶層而製作的蕭特基二極體，導入電場平板構造而其耐壓可達2倍(電極周圍堆積SiO2)，在1.08kV的耐壓下，其特性導通電阻(on Resistance)為5.1 mΩcm2。此時的蕭特基二極體得到室溫運作良好的特性理想係數為1.04。以此一元件模擬電場分佈，推斷可承受最大5.1 MV/cm的電場強度。相較於現行所使用的結晶品質良好的碳化矽、氮化鎵具有更大的絕緣破壞電場強度或絕緣崩潰電場強度。
蕭特基二極體的耐壓特性提升之外，反向電壓施加時的漏電流抑制也是一個不可忽視的問題，這個漏電流大小與磊晶層中缺陷密度息息相關，特別是轉位密度或差排密度。若使用[010]方位成長的磊晶層，只有沿著膜厚方向延伸的轉位/差排與漏電流大小有相互影響性，若在[102]方位所形成的則無影響性。因此，長晶中需要好好地考慮到轉位/差排的方位(Orientation)對於元件結晶面的重要性。
其次，「α-Ga2O3晶圓片基板上的蕭特基二極體(SBD) 」，關於α-Ga2O3所製作的蕭特基二極體已經在日本有些企業公司發表其封裝產品，並接近於量產階段。以往主流的以矽(Si)所製作的p-n二極體被取代成耐高壓蕭特基二極體，而使用碳化矽所製作的蕭特基二極體則存有製造成本的問題，無法取代的市場仍存在許多的機會。以霧化化學氣相沉積法(mist CVD)形成磊晶的長晶可以便宜地製造α-Ga2O3蕭特基二極體，具備有高的耐壓性且價格便宜的優點，其商業化發展性廣受各方市場的期待。
以霧化化學氣相沉積法所製作的元件，因使用熱傳導率小的藍寶石基板，在動作時有發熱的問題，因此有採用將長在藍寶石基板上的α-Ga2O3進行剝離，並以鈦/金(Ti/Au)金屬層橋接的技術。封裝後製品的熱電阻為13.9℃/W，與碳化矽所製作的蕭特基二極體的熱電阻具有不相上下的水準表現。2016年發表531 V耐壓性而0.1 mΩ･cm-2、855耐壓性而0.4 mΩ･cm-2，β-Ga2O3低電阻化再進行，與典型碳化矽所製作的蕭特基二極體有同等特性。然而，施加逆向電壓時的漏電流抑制與氧化層鍍膜技術是有相關連性的，有報告指出，若可以抑制磊晶成長時所產生的缺陷以及剝離時所造成的表面缺陷，則可以有效改善---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。