洪茂峰 / 成功大學電機系 ；洪肇蔚 / 中華電信高雄營運處
寬能隙材料功率元件興起
現今在額定電壓為15 V 至 650 V 的功率元件應用中，矽仍是主流競爭者，因為它不但成本低也很可靠。惟近年來，寬能隙材料的高功率元件興起，在一些重要領域的應用愈來愈多，如SiC就廣泛見諸於電動交通運輸工具，如特斯拉(Tesla)電動車(EV)的馬達控制器，又如GaN被大量使用於須具備高功率密度及輕重量模組特點的行動裝置中。這些趨勢使得SiC和GaN等寬能隙材料的功率元件得以大幅搶占Si基功率元件的市場，形成三分天下的局面。而這些寬能隙材料為什麼可以在短期內取代傳統且已經非常成熟的矽元件呢？
這個緣由可以從半導體物理得到解答：蓋SiC和GaN材料的能隙甚寬，較Si 高約 3 倍，使其可以承受較高的溫度而不會因溫升而使漏電流增加造成誤動作，更重要的是，其理論臨界電場達Si 的10 倍以上，不但大幅提升了功率元件的耐壓能力，也使其在製作較厚的漂移層和較高摻雜濃度的元件時，都比Si有更大的彈性。上述優勢使SiC和GaN等寬能隙材料在特定的導通電阻和崩潰電壓規格下，可以將元件的漂移層製作得更薄、摻雜濃度更高，因此使元件尺寸微縮，也令電容隨之降低了。這些寬能隙材料通常都應用於操作頻率較Si為高的系統，在系統方面的考量，電容的降低代表所需被動元件和磁性元件(如電感器)的數量可隨之減少，意即……
GaN功率元件的武林
在各種寬能隙元件百花齊放的科技武林中，近年來有個重要的發展就是：人工智慧(AI)的廣泛應用，其使工程、醫藥等領域得以快速的發展，而對提升AI運算力的需求也愈益殷切。同時，與AI應用相關的資料中心設置愈多、規模也愈大，對電力需求上升之速度更是令人瞠目以對。就此需求，開發新能源是個大議題，但優化系統能源的管理，尤其是提升功率元件轉換效率，則是立即可行的方案，因此倍受關注。
理論上功率元件的損耗可藉由降低Rds以及減小Qg以改善傳導損耗與切換損耗，然元件中這兩個參數是彼此制衡的(tradeoff)，故功率元件的表現(FOM)就是評比其Rds＊Qg以乘積愈小者為優。GaN具有耐高溫、低電阻，良好的導電性和導熱性，以及可高頻率操作降低能耗等優點，尤其在近年製作技術的改善之下，大幅降低了 Qg及Rds，並採用p-GaN Gate結構提高其 Vth 至3.7 V，使其在硬開關或軟開關的拓樸結構中都可具有高轉換效率，提供甚高的功率密度，這些特性突顯了其在功率元件武林競技中的表現，遠優於Si MOSFET及其他技術，因而倍受青睞……
D-mode GaN功率元件
GaN功率元件依結構可分為垂直型與側向型兩種，如圖一所示。側向型GaN元件發展初期被製成如圖二(a)，GaN HEMT的結構，乍看之下似與Si MOSFET同為三端元件，但它們的作用機制卻完全不同。Si元件係藉由控制p-n接面的Fermi電位差來調變通道的電流，而且元件內各電極間因存在電壓差因此會有Body Effect的影響，但GaN HEMT與之不同，它的電流來自AlGaN/GaN介面因應力差產生壓電效應而自然形成的2DEG通道，故沒有p-n接面與Body Effect的影響，當然操作原理與特性表現也與Si元件不同。例如在GaN HEMT中，因為2DEG係自然存在的，使其呈現常開(Normally-on, D-mode) 的特性，即元件是處於耗電的”開”狀態，工作時則需施以“ -“的Vth，這對電路系統的設計當然是個困擾。雖然如此，經多年的研發後，D-mode GaN功率元件的製作技術也已獲得相當的掌握。
圖二、側向型GaN HEMT結構
值得一提的是，圖二(a)的GaN HEMT未顯示一個重要的特徵，就是元件的Source電極上需添加Field Plate來調節Gate-drain間的電場，此設計在功率電子中極為重要，因為功率電子元件運作時，Gate-drain間會受到甚大的電場，使其附近的材料劣化甚至破壞發生崩潰，也令元件產生可靠性的困擾，而經適當設計的Field Plate可以均勻化Gate-drain間的電場，提升GaN元件的崩潰電壓。
缺陷與崩潰現象
1. 介質缺陷誘發的崩潰(TDDB)
GaN元件的結構可分為MIS GaN HEMT與Schottky Gate HEMT兩種，前者因為在Gate電極下端導入一介質層，使其較後者擁有更低的Gate漏電流以及較大的Gate swing能力。但成也蕭何，敗也蕭何，這層Gate介質因材料特性與對高電場的耐受能力有限，以致產生各種崩潰的現象，限制元件的BV值甚至使元件失效，其中最致命的效應就是TDDB(Time-Dependent Dielectric Breakdown)了。TDDB起因於---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖六、TDDB機制