AI系統節能減碳的推手—GaN功率元件(下)：材料世界網

洪茂峰 / 成功大學電機系；洪肇蔚 / 中華電信高雄營運處

GaN功率元件的可靠性

各種元件在應用時常會出現異常的現象，如Si MOSFET就有臨界電壓(V_th )不穩定、Hot Carrier 捕捉以及介質崩潰等問題，為解析其相關機制以提供解方，讓工程師們白了頭髮。GaN MIS-HEMT雖已展示其具有較低Gate漏電流的優異特性，但也難逃出現不正常的時候，如Gate長時間處於高偏壓的應力狀態時，元件會發生TDDB的毀滅性劣化使元件失效，有時則是發現元件的V_th工作點會漂移，或是Dynamic R_on會增大等異常表現，不但降低了GaN元件能源轉換的效率，甚至還造成元件毀損等困擾，這些可靠性議題引發了GaN元件能否承擔AI系統節能減碳的大任或被廣泛應用的疑慮。下文將討論GaN功率元件的可靠性議題：TDDB、V_th不穩定性與Dynamic R_ds,on (或稱Current Collpase)與對元件特性的影響。

1. TDDB

通常GaN元件操作時會對Gate施以較大的Gate Overdrive以增大輸出電流I_D，這個動作當然會使Gate堆疊層上產生壓降與對應的電場。理論上，在on狀態時壓降應為零，元件不會產生功率損耗，但實務上由於製程技術與材料特性的限制，元件上總會有約數百mV的壓降，又因甚大工作電流的流通使元件產生顯著的功率消耗與自我生熱(Self-heating)的現象，更劣化了元件的表現。一般均認為這個可靠性現象的主要機制是因GaN 功率元件在on與Semi-on狀態時產生了高能量的熱載子之故。其實在Insulated-gate GaN功率元件製作時會設計特別加強Gate介質層的耐高電場能力，使其不會發生早發性的崩潰，然而仍難以避免這介質層與III-N的介面間因不匹配而產生缺陷，且這些介面缺陷會隨時間的過往逐漸增生而形成更多的漏電路徑，進而發生TDDB，其機制如前所述，導致絕緣破壞與介質層的失效，也令元件崩潰，這層Gate介質層材料真是成也蕭何，敗也蕭何。

事實上TDDB的現象也常見於Silicon CMOS系統，相關的研究都認為其漏電機制與介質的品質密切相關，因此許多提升介質層品質的方法被提出以解決TDDB的困擾，如Kevin J. Chen等人就提出在GaN表面形成一層Monocrystal-like的氮化介面層(NIL)，如GaON/ p-GaN等，可使其有極低的介面缺陷密度因此有效提升元件的表現，如元件的I_ON/I_OFF 比為10¹⁰，V_th的變動只有0.09 V，SS值亦為優異的64 mV/dec。這個研究顯示介質層/III-nitride介面工程的改善確實有助於提升GaN功率元件的可靠性。(圖七)

圖七、GaN元件發生TDDB，可利用 GaON/ p-GaN改善

另因E-mode操作所需，近來GaN元件大都採用p-GaN Gate結構，發現同樣會出現TDDB的困擾。研究發現：在較大的Gate Overdrive下p-GaN因承受了甚大的壓降和電場，特別是Schottky /p-GaN的接點，使Gate電流驟降、雜訊變大，為什麼會如此？可以從GaN的材料性質來看，GaN是一種極化材料，當受到壓應力或張應力時會因壓電效應而產生位移電荷，由於功率元件工作時都會對p-GaN Gate施以較大電壓以生成通道電流，實驗顯示此電壓產生的峰值電場會發生在近Drain端的Gate邊緣的角落，這麼大的電場相當於對GaN 與鄰近的AlGaN能障層施了極大的張應力，遂誘發了Gate邊緣附近的晶格產生了甚大的位移電荷，並致生缺陷，況且GaN與AlGaN能障層的壓電係數差異也很大，可想見元件遭此大電場肆虐的反應時勢必得生成大量的缺陷以釋放應力，而這些缺陷會再結合Gate Sidewall製作時生成的缺陷形成一股I_G漏電流，如滾滾大水呼嘯通過元件。深入研究發現這股災難性的強大漏電流可能來自兩個源頭：一是GaN與AlGaN內生的缺陷受到高電場的撞擊游離(Impact Ionization)時會增生更多的電子，並從通道處注入p-GaN，另一個則是因p-GaN/AlGaN介面存在正電荷的缺陷，這也有利於大量的電子注入p-GaN，由於這些原因的加乘，致使元件的I_G漏電流大幅增加，輸出電流I_D減少，以及R_on值增高等特性劣化。像這種在GaN的Gate堆疊層中因缺陷產生與Percolation Process而形成漏電路徑的機制，其實與介電質層衍生的可靠性困擾類似。因此2021年的ISPSD會議中就有多個研究建議改善方法應為提升GaN的品質，設計可提高 ……

前述 TDDB機制的研究大都著重於GaN元件On-state的狀態，且已知發生的熱點就在Gate Edge與Gate結構中較突出的尖角處，事實上有 TEM實驗就觀察到當鄰近於Gate edge的AlGaN表面出現大量的坑洞或破裂時，Gate電流會劇降，輸出電流I_D也大幅減少，顯示了TDDB的發生應與介質層的劣化強烈相關。然而另有研究發現Off-state也有TDDB的煩惱，其好發於Gate/Field Plate間的保護層介電膜與GaN的緩衝層接面處，而且元件的行為有別於On-state的表現，如圖八與圖九，這些研究隱然指出影響GaN功率元件可靠性的或許還有其他原因 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。