洪茂峰/國立成功大學電機系;洪肇蔚/中華電信高雄營運處
GaN-基元件相較於傳統矽-基元件，如 MOSFET等，擁有更高的崩潰電壓、功率密度及電子遷移率，而且GaN 的能隙為3.4 eV，遠高於矽的 1.1 eV，使其可以在更高的電壓進行高效的功率轉換，這些特性都顯示GaN-基元件於電力電子及高頻RF的應用將有更大的優勢。又若整合GaN -基功率元件與CMOS於一系統，則透過GaN -基元件高效的功率應用以及CMOS良好的控制與邏輯能力，將可實現最佳的功率效率，這對功率放大器、功率轉換器和電源管理IC (PMIC)等應用尤為重要。值得一提的是與競爭者SiC-基元件相較，GaN -基的尺寸可大幅縮小，代表製造成本可降低，且有利於空間受限系統的應用。
GaN HEMT技術的發展
有了PMIC利基市場的加持，使GaN技術的研發得到甚大的動力，然而發展GaN功率元件一直面臨GaN磊晶技術未能突破的瓶頸，包括：(1)缺乏適當的基板以供磊晶膜成核；(2)氣相Ga原子與成膜表面會產生複雜的反應…
1. MOCVD成長GaN磊晶膜
如前所述GaN功率元件發展的首要瓶頸，就是缺乏供磊晶膜成核的基板。其實 GaN元件優良的特性係源自其平行基板傳播的2 DEG(二維電子雲)表現，為保持此利益故元件製作時得採側向式(lateral structure)結構…
2. p-type GaN製作
在GaN功率元件發展過程專家們提出許多選項，如Zn、Be and C等，以製作p-型的GaN，然它們或失之效率太低致導電性不足，或會致生大量缺陷或雜質劣化電性，相較之下Mg似乎是最佳的選擇…
側向式高功率GaN HEMT之瓶頸
側向式GaN HEMT發展的瓶頸，若改以垂直式的結構來擔綱或許是個解方，因為其電壓可以跨在一層較厚且低摻雜的drift layer上，故特性表現將類似Si與SiC的功率元件。而且模擬也顯示其優點，如：①因電流經過的有效面積較僅有in-plane電流的側向結構為大，故可提供較高的額定功率；②垂直結構的電場是垂直分布於元件體內…
圖一、為垂直(左)與側向(右)元件的結構示意
垂直式GaN 高功率元件的挑戰
要實現垂直式GaN高功率元件，其實是有一些挑戰需要克服，如高品質的基板、較厚且高摻雜的Drift-region，以及p- GaN的導電性提升等。很幸運的有些挑戰在GaN HEMT發展過程已獲解決，惟有些仍待努力，如：
1. 高品質基板製備
傳統技術中GaN基板是以HVPE製備，但成品受限於高缺陷，低成長速率與小面積等缺點，故難以大規模量產。但正如前述，經由MOCVD技術成長了緩衝層後已可在異質基板，如silicon等，製備準垂直式GaN的基板，值得一提的是…
2. 垂直式結構的蝕刻
為製作GaN 元件垂直方向的電流通路通常需進行溝槽或導通孔的蝕刻，但因GaN材質穩定且偏硬致蝕刻困難，易產生結構缺陷形成漏電流，使元件的導通電阻變大---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。