洪茂峰 / 成功大學電機系
製程對元件的影響
β- Ga2O3因原子鍵結能頗大，理論上應較其他材料更具抗幅射損傷的能力，又因p 型雜質摻雜於β- Ga2O3時會因補償(Compension)效應使其無法以熱力平衡技術製作高濃度的p 型β- Ga2O3，也限制了p-n接面β- Ga2O3元件的實現。離子佈植技術是非熱力平衡的技術，故提供了一個製作高功率β- Ga2O3元件的希望。雖然至今以離子佈植術製作p 型β- Ga2O3的實驗仍未有令人滿意的結果，但在n 型β- Ga2O3元件卻有非常傑出的成績。 如K. Sasaki團隊就以Si-離子佈植技術成功得到1.3 mΩ-cm的超低歐姆接觸，其對高功率輸出的幫助顯然不容忽視。
離子佈植技術是以高能量去撞擊目標材料，故對材料特性的改變是可以預期的，多年來的相關研究，許多材料受離子植入後特性的變化及其退火復癒的方法已建立了相當完整的數據，但對β- Ga2O3或其他大能隙的材料，離子佈植術對它們的影響又如何？此資料庫能否提供足夠的資訊呢？有研究顯示，β- Ga2O3受到離子撞擊後會產生 Ga的空缺(GaV)、Ga的格子間隙(Gai)以及錯位(GaO)等缺陷，這些缺陷態會在距導帶甚遠處聚集，並形成Fermi-pinning抓住臨近路過的自由電子，造成漏電流也導致輸出電流降低，但若先在β- Ga2O3 Schotty元件周圍建立一個金屬保護環(Field Metal Ring)，則離子撞擊時所產生的不受歡迎的電荷就可移除，改善了元件的崩潰電壓特性。
另一方面，FIB(Focus Ion Beam)技術在製作晶片微影蝕刻的光罩及電子顯微鏡(TEM)樣品的製備中使用甚為普遍，且近年來也有研究嘗試以Ga+射入Ga2O3中以改善β- Ga2O3 Schotty二極體的特性。但可以想見，當這些高能量的離子撞擊到Ga2O3時一定會改變材料表層的組成結晶性及其電性。有研究即發現，當Si 晶片受到30 Kev的Ga+照射後其上會生成一層20～30 nm的非晶矽，另有研究也報告了FIB處理後的元件其產生的缺陷會使Ga2O3 Schotty二極體的RON 及啟動電壓變差，欲改善這個後遺症的產生，直覺的想法就是以較低的能量來撞擊元件，因為低能量的撞擊產生的缺陷一定會較少，然相對的副作用就是製程時間將增長，而且製作元件的精準度也會較差。這個製程上的困擾有研究指出，可以用短時高溫的RTA退火來改善。因此，β- Ga2O3 Schotty二極體的製程中，該如何適當的選擇離子束最大能量及後退火溫度乃成為重要的課題。
對功率元件特性及可靠性影響的還有一個很重要的因子，即製程中造成的微機械應力。一般均認為微米或奈米級的製程所產生的應力應是很微小也很局部，以整體元件尺寸看來，其平均空間結構的變化應是幾乎不變，故常被忽略。然有研究顯示，AlGaN/GaN HEMT元件特性有時會因某種製程步驟而變差，其因或許是該製程中產生了局部應變(或是應力)，而致通道中的二維電子雲(2DEG)濃度減少，且載子移動率又因散射增大而變小之故。賓州大學的Haque團隊就以各種強度的γ射線照射AlGaN/GaN HEMT元件來模擬製程中微應力的產生，之後再以TEM與微Raman 光譜儀觀察HEMT元件中所產生的局部應變的影像。由TEM影像明暗對比的變化他們判斷出在輻射後閘極區的介面下產生了高濃度的空洞缺陷，γ射線愈強，TEM影像空洞缺陷區的亮度就更增加，HEMT的漏電流也更大。這說明了應力確是AlGaN/GaN HEMT可靠性劣化的原因之一。對此，他們的解決之道就是在HEMT元件背面故意引入一個數十微米深的微溝槽，這個溝槽所產生的平面殘餘應變(In -Plane Residual Strain )即使只造成0.02% 的應力，但卻能在元件中形成局部的舒解功能，有效地緩解了元件中所受到的應力。利用這個改善方法，在微Raman光譜儀中果然也看到了應力區的影像亮度大幅減弱，而且HEMT的輸出飽和電流也顯著的提升了。 這個研究確認了元件製程中所產生的---以上為部分節錄內容，完整資料請見下方附檔。