GaN高功率元件的挑戰(下)：材料世界網

洪茂峰/國立成功大學電機系;洪肇蔚/中華電信高雄營運處

垂直式GaN高功率元件的發展

自2010年起興起高崩潰電壓(BV)與高電流密度的垂直式GaN高功率元件的研究。在功率電子的應用中，二極體因載子注入機制與電晶體不同，使其具有更強健的雪崩崩潰(avalanche breakdown)，故占有重要的一席。例如有文獻報告崩潰電壓高達3.7 kV的垂直式GaN pn二極體與1.1 kV的垂直式GaN Schottky barrier二極體(SBD)，其特性已達功率品質因素的理論值。但功率二極體依額定能力不同各有應用領域，如SBD被應用於低中電壓，junction barrier Schottky二極體(JBS)則用於更高的電壓，至於超高電壓系統就須依賴P-I-N二極體。這些應用有的要求更高的BV，有的則需要更低的漏電流，都是發展功率二極體必須克服的挑戰。至於垂直式GaN功率電晶體理論估計其BV近2kV當然也是研究的重點，而近年較受重視的結構有CAVET、trench MOSFET與 FinFET等，當然它們有各種需要克服的挑戰，以下分別介紹其發展與近況：

1.JBS功率二極體與trench GaN MOSFET(T-MOSFET)

如前所述，BV的提升是功率二極體發展的重要議題，而二極體中，JBS被認為應可實現這個目的，因為JBS就包含了p-n二極體與SBD兩種結構。由元件理論可知p-n二極體的特點就是擁有較高的BV和較低的反向漏電流，但其偏高的 turn-on電壓(Von > 3 V) 將使功率轉換器損失大量的能量。至於SBD雖然turn-on電壓較低(Von < 1 V)，卻又苦於反向漏電流偏大且BV也不亮眼。而JBS恰綜合兩者的結構，理論上會擁有兩者之長，預期…

4.準垂直式全GaN高功率單晶片：整合垂直式與側向式全GaN的功率單晶片

GaN p-MOS的製造絕對是這個議題的重大罩門，因為p-GaN的攙雜效率不高、功函數太高、電洞mobility偏低與二維電洞濃度(2DHG)不高等問題均未解決，使得p-MOS的電流密度與崩潰電壓特性不佳，也造成其次臨界擺幅(SS)與轉導 (gm)等元件表現不理想，難以與n-MOS特性匹配，也將影響GaN CMOS邏輯電路的增益，切換效率及穩定性等整體表現。值得一提的是,,,

圖六、P. Döring的整合垂直式與側向式元件的全GaN單晶片製作流程

5.ScAlN閘GaN HEMT憶阻器(Memristor)

GaN HEMT除了前述功率電子及RF的應用外，近年來因AI的興起，由GaN衍生的FeFET(Ferroelectric Field-Effect Transistor)開發另一個可發揮的舞台。因為GaN FeFET 的結構與傳統MOSFET雷同，只需以鐵電材料為閘極就可以讓元件保留在極化狀態，即使移除外加電場也不會改變極化態，這個三端元件的特性恰似非揮發性記憶體。因此在設計記憶體陣列時只要對FeFET施加不同的電信號即可在記憶體內執行如AND、OR、NOT等基本邏輯運算---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。