有效改善準直式氮化鎵高功率PIN 二極體 崩潰電壓/機制之研究

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Title:	有效改善準直式氮化鎵高功率PIN 二極體崩潰電壓/機制之研究
Authors:	陳啟文
Contributors:	電子系
Keywords:	氮化鎵、PIN二極體、功率元件、崩潰、二階平台結構、巴利加值
Date:	2020-10
Issue Date:	2020-11-30 09:31:06 (UTC+8)
Abstract:	功率半導體元件追溯至 1950 年代，當時使用矽、鍺材料製作 pn 二極體及閘流體(Thyristor)，之後在 1960 年代 BJT、1970 年代 MOSFET 及 1980 年代 IGBT。然隨著技術的進步及各種新興的應用出現，市場渴望下一代的功率元件能夠有更大的功率密度、更快的操作頻率、更低的功率消耗以及更好的可靠度,矽元件的發展受限於材料特性已不足以滿足這方面的需求,因此目前功率元件發展的一個重要趨勢為尋找新的功率元件半導體材料,其中氮化鎵 (Gallium nitride)為備受矚目的選擇之一。 GaN 材料的研究與應用是全球半導體研究的熱點，被譽為是繼第一代 Ge、 Si 半導體材料、第二代 GaAs、InP 化合物半導體材料之後的第三代半導體材料。它具有寬的直接帶隙、強的原子鍵、高的熱導率、低的熱產生率、高的擊穿電場，化學穩定性好(幾乎不被任何酸腐蝕)等性質和強的抗輻照能力，是研製高溫大功率電子器件和高頻微波器件的重要材料。GaN 較寬的禁帶寬度(3.4eV) 及藍寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利於器件在大功率條件下工作。本研究中，利用金屬有機化學氣相沉積法(MOCVD)成長多種不同磊晶晶圓之本質層濃度及厚度於圖形化藍寶石基板(PSSs)上，製作出準垂直式氮化鎵p-i-n 二極體。操作於順向偏壓下，在高階注入時會有電導調變現象而導致有較低的順向串聯電阻，當操作於逆向偏壓時，氮化鎵 p-i-n 二極體的本質層具有耐壓能力，故可以承受較高電壓。吾人在先期實驗中可以發現，【本質層厚度】與【磊晶結構/濃度】在操作順偏時，會影響順向電壓以及特徵導通電阻。在相同的元件結構與製程方法下，為了提高元件逆向偏壓特性，改進前輩曾用過之邊緣終結方法的高台型雛型結構，找尋可以減少蝕刻缺陷的製造方法與結構，以及【本質層厚度】與【磊晶結構/濃度】之較佳組合，來降低漏電流與提高崩潰電壓，達到低的特徵導通電阻與超過 700V 的崩潰電壓，而得到顯著巴利加值(Baliga’ s Figure of Merit,BFOM)的提升。
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