洪茂峰 / 成功大學電機系；洪肇蔚 / 中華電信高雄營運處
Ga2O3元件功率特性研發
2. 保護層材料與側向型元件的功率特性
2020 年 S. Sharma (4)等人參考了Yang的研究，再根據自家的經驗，他們發現文獻中Ga2O3 MOSFET的Vbr之所以都較理論值為低是因爲在元件的通道(Channel)外產生了外質性的電性崩潰，如 Air Arcing或保護層的早發性崩潰之故， 所以他們改以崩潰電場高達4.4 MV/cm，較常用的SiNx或SiO2等介電質都高的SU-8 Polymer作為側向型結構 Field Plated Ga2O3 MOSFET的保護層材料，期能抑制這些早發性的崩潰現象，他們的元件結構如圖三所示。
圖三、以 SU-8 Polymer 為保護層之Ga2O3 MOSFET
測試結果顯示，Sharma的MOSFET與沒有這種保護層機制的元件相較，因爲SU-8可耐較高的電場，使得在相同的Ground-Drain距離下(Lgd)，前者顯著的提升了元件的Vbr電壓。而且值得一提的是，這保護層對元件的輸入與輸出 I-V 特性沒有任何不良的影響。Sharma 還發現此MOSFET元件在 Lgd= 40μm 時，其Vbr 電壓達到頗為優異的6.72 kV，估計其平均電場強度爲1.69 MV/cm。而且隨著 Lgd的增大，元件的Vbr也會呈現增加的趨勢。當Lgd增加至70μm時，Vbr甚至高達超乎預期的8.03 kV， 這個數據為已知文獻中側向型結構的WBG元件最佳的成果。惟Sharma另點出，當閘極長爲2μm，G-S間隔Lgs為 3μm時，MOSFET元件的Drain 峰值電流爲3 mA/mm，雖然較無SU-8保護的元件略有提升，但並未達到作者以往的經驗水準。探究其原因，發現原來此MOSFET的Ron為頗高的13 kΩmm，此一劣化的Ron降低了Power FOM ，使其僅得7.73 kW/cm2。 Sharma 推測這麼高的Ron可能是因在製作 Channel與 Access Region時，使用了RIE 與 O2 Plasma，這些高能量粒子撞擊元件使其遭到損傷，產生許多的缺陷，致使傳導的載子空乏之故。這個結論提醒研究人員，在致力消除Ga2O3 元件的外質性早發崩潰現象以提升Vbr時，勿忘製程的副作用也會波及Ga2O3元件整體的表現。
4. p-NiOx / n-β Ga2O3異質接面整流器
由元件物理的知識可知，要製作高PFOM的功率電子元件，需具備低摻雜濃度的漂移區域、高電子移動率、低Ron與可避免電流聚集的 Edge Termination結構。而最常被使用的則是 Unipolar 元件，如SBD或MOSFET等，其可以滿足高Vbr的需求，但如果又要求其擁有較低的 Ron 將是強其所難，因為若無少數載子之助將無以為功。惟β- Ga2O3的缺憾就是缺乏 p 型Dopant，難以製作p型的Ga2O3。這個困擾使研究人員轉向思考設計異質接面結構的可行性，而在眾多候選材料中，NiOx最受囑目，因為p-NiOx與n- Ga2O3異質接面的 Conduction Band Offset只有2.1 ev，較 Ga2O3 同質接面的Offset為小，故理論上可有效降低 Von ，另p-NiOx /n- Ga2O3 異質介面會產生傳導調變(Conductivity Modulation)的作用，使Ron降低，再者，習知p-n結構的陽極接觸區會有電場聚集(Field Crowding) 的現象，致使Vbr降低，但若採用異質接面結構這個困擾將很容易解決，只要在Metal Cathod外使用NiOx作一個Guard Ring或製作Field Plate結構，使周邊電場均勻化即可。另為了增大Vbr，並減少反向漏電流以降低Ron 等目的，調整漂移層的厚度與摻雜的濃度也很方便，更可以提升元件On-State的表現。以上諸多的優點均指出p-NiOx /n-Ga2O3異質接面結構(HJ)會是個理想的組合，很適合用以發展Ga2O3基的高功率元件。
如是之故，近年來p-NiOx /n-Ga2O3 異質結構在電力電子元件的研究中一直是個重要的議題，成果也頗為豐碩。研究結果普遍指出，p- NiOx / n- Ga2O3異質接面結構確能提高Vbr，並減少反向漏電流，使元件的 Ron降低。惟當Power元件應用於電動車系統時，由於操作空間有限與高頻使用的需要，將使Ga2O3功率元件相關的 Circuit Topologies 設計受到限制，而其又會影響輸出的功率，故元件的結構必得準確的製作以確保高頻輸出功率的穩定且最佳化。因此，研發可精確轉印(Transfer)元件圖樣(Pattern)的濕式或乾式製程就成為必要的議題了。
(1). NiOx / β- Ga2O3異質接面蝕刻技術
以KOH濕式蝕刻 Ga2O3的製程相關研究甚多，但對於NiOx / β- Ga2O3 異質接面蝕刻的探討並不多見。C-C Chiang等人於2023年243 ECS Meeting中報告了相關的研究。 他們配製了1 HNO3: 4 H2O 的溶液，探討其對異質接面選擇性蝕刻的能力。經量測NiOx的蝕刻率，他們發現：蝕刻NiOx所需的活化能為每一原子為1.8 ev，表示此溶液蝕刻NiOx 的過程應為Reaction-Limited，即HNO3會與NiOx反應，破壞NiOx的表面鍵結，使之解離。但此過程對Ga2O3似無影響，因為觀察 Ga2O3的表面發現幾無變化。圖四～圖五蝕刻率的量測也顯示此HNO3蝕刻液對Ga2O3的蝕刻率幾為0，幾乎不起作用。此HNO3蝕刻液對NiOx / β- Ga2O3 異質接面的選擇性似為無限大，而且蝕刻產物為Ga(OH)4 也證實了 HNO3對NiOx 的液態蝕刻是經由Hydroxide 的形成與溶解程序，顯然 NiOx與Ga2O3的濕式蝕 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖四、NiOx 與 Ga2O3 以1 HNO3:4 HCl蝕刻液進行蝕刻率研究