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應用於功率元件之氮化鎵高電子遷移率電晶體的磊晶成長 與特性分析

為了解決APEX UV的問題，作者戴進吉 這樣論述：

應用於功率元件且成長於矽基板上之氮化鎵高電子遷移率電晶體面臨高崩潰電壓、低操作電阻與低切斷電流等挑戰。本論文使用有機金屬化學氣相沉積成長氮化鎵高電子遷移率電晶體相關的異質結構於矽基板上，利用插入層的三維成長模式及緩衝層受體摻雜技術，來降低缺陷密度及補償施體雜質，改善典型的負型氮化鎵緩衝層，藉以提升氮化鎵功率元件的耐壓能力。進一步成長鎂摻雜的正型氮化鎵於不同鋁組成的結構，研究氮化鎵增強型功率元件的電洞活化濃度及鎂擴散問題，以解決低切斷電流問題。首先使用有機金屬化學氣相沉積技術在氮化鎵高電子遷移率電晶體結構中的氮化鎵緩衝層插入氮化矽，目的為減少氮化鎵緩衝層缺陷密度避免其對二維電子氣特性的影響。藉

由調控不同矽甲烷流量從0至100sccm，我們發現其壓縮應力及刃差排缺陷密度隨著矽甲烷流量增加而減少，同時可以增加二維電子氣的載子濃度。最佳化後，氮化鋁鎵/氮化鋁/氮化鎵形成之二維電子氣結構的電子特性可以達到高電子遷移率1970 cm2/V-s以及低片電阻值493.6 (Ω/sq)。進一步研究不同受體鐵摻雜濃度的氮化鎵緩衝層於矽基板上，定義鐵摻雜氮化鎵的飽和析出及三維成長濃度分別於1.7×1018 cm−3及5.0×1018 cm−3，再應用正型鐵三維成長技術於氮化鎵功率元件結構上，有效的達成減少缺陷密度及補償施體雜質目的。雖然鐵三維成長技術可以減少刃差排缺陷密度，但無法抑制鐵擴散現象，而垂直

崩壓的量測結果證明其於1000伏特偏壓下能有效改善垂直漏電流密度達一個數量級。最後研究成長在矽基板上的正型氮化鎵/氮化鋁鎵結構，在不同鎂摻雜濃度下之電洞活化率及光學性質。霍爾測量結果顯示鎂濃度在2.4×1019 cm−3的活化效率達到最大值2.22%。由於正型氮化鎵/氮化鋁鎵異質結構中存在應力，於鎂摻雜濃度過飽和後，沒有觀察到電洞濃度的反轉現象，這歸因於壓縮應變下限制了自我補償效應導致更多的鎂摻入鎵的位置。進一步成長正型氮化鎵/氮化鋁/氮化鋁鎵結構提升正型氮化鎵壓應力，可以在鎂摻雜濃度達到飽和後進一步提高活化效率，同時也可以有效抑制鎂原子的擴散，正型氮化鎵/氮化鋁/氮化鋁鎵結構可以實現約1.3

×1018 cm-3的高電洞濃度。