顧鴻壽/ 台北海洋科技大學創新設計學院教授、中央研究院物理研究所短期訪問學者；林志杰 / 台北海洋科技大學創新設計學院助理
2. 氧化鎵蕭特基能障二極體元件的開發
一般二極體元件通常是應用於製作整流器(Rectifier)。與電晶體元件一樣，對於耐高電壓、高電流及高功率應用而言，縱型/垂直型二極體元件結構是理想的高功率元件結構。就垂直型氧化鎵的蕭特基能障二極體元件(Vertical β-Ga2O3 SBD)而言，其元件結構有四種不同類型，分別是「附有一保護環(Guard Ring; GR)」(圖八(b))、「附有一場平板(Field-Plated; FP)」(圖八(c) )、「同時附有一保護環及一場平板」及「不附有保護環或場平板」(圖八(a) )等。不附有保護環或場平板就是指一般性的蕭特基能障二極體元件(SBD)。
圖八、直型氧化鎵的蕭特基能障二極體元件結構 (a)不附有保護環或場平板；(b)附有一保護環；(c)附有一場平板
附有一保護環的垂直型氧化鎵蕭特基能障二極體元件的關鍵性製作流程如圖九所示。其關鍵性製作流程技術有氮離子佈植植入、熱退火、反應性離子蝕刻、化學機械研磨等。圖十顯示由東京農工大及三菱電機共同開發的縱型/垂直型氧化鎵「蕭特基能障二極體」的截面結構示意圖，其元件結構同時附有一保護環及一場平板。與電晶體元件相類似，國立研究開發法人情報通信研究機構(NICT)評估了元件製程及其特性，其中n型氧化鎵漂移層是經由東京農工大使用「鹵化物氣相沉積法」所成長的磊晶基板。其特徵是在上述縱型/垂直型電晶體元件中，所使用的保護環是經由氮離子佈植摻雜而形成，保護環期待具有防止陽極電極端電場集中及提高元件耐壓的作用。
從量產性與結晶純度的觀點，氧化鎵電力電子元件用磊晶成長技術，「氫化物/鹵化物氣相沉積法」有其發展潛力，近年來，使用氫化物氣相沉積法(HVPE)可以得到高純度的β-Ga2O3同質磊晶結晶薄膜。磊晶成長是以氯化鎵及氧氣作為氣體原料，以氮氣當作承載氣體。氯化鎵設置於850℃上流區域的原料生成，是經由金屬鎵及氯氣體產生反應而形成。氧氣及氯化鎵的通入壓力分別是 2.5 x 10-3 atm及 5.0 x 10-4 atm，其成長溫度是800~1050℃。使用「緣邊定義的膜片進料長晶法(EFG)」所製作的錫摻雜的氧化鎵(001)結晶面基板。圖十一為成長速度及成長溫度之間的關係圖。成長速度於900℃以上呈現相當一致的5.0 μm/h，然而，其成長溫度1,000℃的其他實驗中的成長速度，其氯化鎵分壓比例改變，這些結果顯示磊晶成長速度受到原料供給速率的影響，這與熱力學所計算的結果是一致的。
陽極材料是鉑(15 nm)/鈦(5 nm)/金(500 nm)[Pt/Ti/Au]，200 μm以及 400 μm直徑的陽極經由蒸鍍而形成；陰極材料是鈦(20 nm)/金(230 nm[Ti/Au]，藉由蒸鍍而形成歐姆接觸電極特性。錫摻雜n+型氧化鎵基板，其摻雜濃度3.0 x 1018 cm-3，其晶面是(001)而基板厚度為600 μm；矽摻雜n- 型氧化鎵漂移層的磊晶厚度為7.4 μm，其摻雜濃度是1.0 – 1.2 x 1016 cm-3。300 μm厚度的二氧化矽沈積在電流漂移層，利用電漿增強型化學氣相沈積法，其原料源是四乙甲基矽烷(Tetraethyl Orthosilicate; TEOS)而反應離子蝕刻使用氯化溴(BCl3)。
使用摻雜氮離子的P型或高電阻性的保護環，可以有效減低峰值電場集中於陽極的邊緣，進而增加崩潰電壓(VBR)。保護環的形成是氮離子佈植於氧化鎵漂移層，構成一深度0.4 μm的箱狀分佈並具有摻雜濃度1.0 x 1017 cm-3。理論上，氮原子在氧化鎵可預測為深層受體的特性，而摻雜氮離子的氧化鎵可以作為一電流阻絕層。
二次離子質譜分析儀(SIMS)的測量結果顯示磊晶層中不純物的含量分佈圖，圖十二所示的是其量測的結果，圖的右側是各元素的背景值以箭頭表示，碳、氫、錫、矽元素信號均低於背景值。除了氯元素觀測到1016 cm-3的濃度，膜厚12 μm的磊晶薄膜的電流 - 電壓(I-V)以及電容 - 電壓(C-V)的電性量測評估，其載子濃度顯示均小於1013 cm-3。因此氯與載子濃度之間推測是沒有影響性的。
圖十二、氫化物氣相沉積法所成長氧化鎵薄膜的二次離子質譜分析儀(SIMS)深度含量分佈圖
圖十三顯示同時附有一保護環及一場平板的縱型/垂直型氧化鎵蕭特基二極體的電流密度-電壓特性。由於保護環的效果，其元件的逆向耐壓從1,076V大幅提高至1,430 V。氧化鎵蕭特基能障二極體可以得到的導通電阻值(Ron)為4.7 mΩ∙cm2以及逆向耐電壓值(VBR)為1,430 V，其元件特性總體上已是世界上名列前茅---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。