洪茂峰 / 成功大學電機系；洪肇蔚 / 中華電信高雄營運處
Ga2O3功率元件切換特性研發
近年來，功率切換元件在高壓系統的應用日趨重要，而快速的切換能力是提升能源轉換效率的保證， GaN因開關切換特性較SiC猶為快速，可使充電裝置具備高功率密度，並因減少了外部被動與磁性元件的使用，簡化了封裝程序，使裝置尺寸得以縮小，故在此功率切換領域占有一席不可替代的地位。目前市面上更出現650/800V高電壓的GaN產品系列，可滿足 1kW~22kW 應用的需求，看似GaN也踏入傳統SiC高功率的領域，這個發展令期待以GaN元件取代SiC的人頗為樂觀。但研究亦發現，GaN元件切換於高電壓與高頻下時元件的 On-State 電阻(Ron)會增大，甚至達 dc阻值的數倍之多，致生Current Collapse現象，此一Dynamic Ron 的困擾據信是由於傳導電荷被缺陷捕捉(Charge Trapping)使閘極電容增大所致，其造成元件可靠性(Reliability)不良的重大瑕玼使其應用，如DC/DC轉換器整體效率提升的努力蒙上陰影， 解決之道則是目前文獻討論的重要議題。
至於SiC 功率元件，研究指出，在 100~300 kHz的高速操作下，其 Hard Switching 與 Zero Voltage Switching 測試時 Ron 表現較GaN穩定許多，顯示其缺陷介面捕捉效應的困擾較小，Dynamic Ron 的現象並不顯著，相較於GaN看似又略勝一籌。Ga2O3則因材料特性的優勢更勝於前兩者，且近年來Kilovolt 級並可快速切換作 RF 應用的Ga2O3元件研發也頗有進展，有潛力取代前兩者，但它於Dynamic切換時也會有 Dynamic Ron的夢靨嗎？
1. 功率元件切換的Dynamic Ron現象
根據 GaN 功率電晶體製作的經驗，影響元件切換特性的因素中，閘極結構的設計 (Gate Edge Engineering) 至關重要，因為它會影響Drain-to-Gate 間電壓分布的均勻性，也可能造成 Gate 與 Field Plate Edges 間出現凸起的大電場，使載子傳導時受到散射而降低切換的速度，增大了Ron電阻。因此，GaN元件製作時非常重視元件結構中電場的處理，比如在Drain-to-Gate 間會施以高摻雜以提升導電性，降低 Dynamic Ron現象，這些結構與製程的設計考量或許可做為Ga2O3功率元件切換特性改善的方向。
2020年J. Böcker製作了側向型 Ga2O3 MOSFET，探討其靜態(Static)與動態(Switching)的表現。因為要進行切換特性探討，Böcker的電晶體閘極寬達10 mm，閘-汲極距離為6 μm，且面積為頗大的10 mm x10 mm晶片黏著於陶瓷基板上，並以Wire-bond做電性連結。靜態的I-V特性顯示此MOSFET為常開型的元件，Vth 為 -25 V，最大的汲極電流約 2.5 A，且在低汲極偏壓時測得Ron為4.5 Ω，若慮及閘極的影響亦可表為45 Ω-mm，而接觸電阻(RC)以Transmission Line法量測，顯示其為2 Ω-mm。至於動態的切換實驗則是採用雙脈波法(Double Pulse Tests)進行研究。Böcker發現此電晶體在汲極偏壓20 V 以下時，元件的汲極電流(ID)與 汲-源極電壓(VDS)表現與一般MOSFET相同，惟當反向汲極直流偏壓增大時，發現電晶體的Turn-off時間也增長了，Böcker猜測這現象可能源自反向偏壓增大元件的寄生電容所致。另在On-state時以65 V/ns 逐漸上升汲極偏壓到300 V時，會觀察到順向電壓也隨之增大，顯示切換操作時，因Ron增加導致發生了Dynamic Ron現象，使得功率損耗也增大，故而無法應用於更高的功率。Böcker認為這個Dynamic Ron現象是肇因於傳導電荷受到閘極介面(即半導體/介質 )的缺陷捕捉，致使Ron增加也降低了汲極的輸出電流。 所以他們結論 Off-state時施加的偏高反向電壓，令通道中的缺陷發生電荷捕捉作用，減少了傳導載子導致Ron增加，但若持續增大Turn-on電壓，則因缺陷中的載子被釋出(Detrapping)，Ron值因而降低了。
這種會受On-state電壓與 Off-state電壓影響的Dynamic Ron現象顯示通道中可能存在著兩類型的缺陷：一類是存在閘極下方的半導體/介質介面，其將影響元件在低 VDS偏壓時的表現，也會導致MOSFET次臨界擺幅 (Subthreshold Swing)的增大 ，除劣化雜訊的表現外，也會降低Ion/Ioff比；另一類則是存在漂移區的介質/半導體介面，其會影響元件在高 VDS偏壓的行為，因為它改變了源-汲極間的電場分布，降低電子的移動率。因此，Böcker在論文中強調：Ga2O3 功率元件於製作閘極，Field Plate或保護層時務必小心設計，並尋求製程的最佳化。因為製程造成的缺陷就是使元件於高頻操作時產生Dynamic Ron現象的源頭。值得一提的是，雖然他們製作的Ga2O3 MOSFET反向崩潰電壓為一仟伏特以上，但受限於量測設備與安全考量(因為在高反向電壓時Ron會快速增加，導致功率損耗增大而使晶片發熱)，因此，這個切換特性的研究僅討論DC 電壓為 300 伏特以下的表現。
2. 功率元件切換的C-V特性
Böcker的報告也間接解釋了2019年Zeng 所發表的成果。在該研究中，Zeng製作了一個Field Plated 的Ga2O3 MOSFET ， 此元件的通道上方以---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
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