應用於射頻之矽基板氮化鎵元件技術Technologies of GaN Devices on Silicon for RF Applications鄒權煒、徐碩鴻國立清華大學電子工程研究所

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奈米通訊NANO COMMUNICATION 24 卷 No. 4 應用於射頻之矽基板氮化鎵元件技術

摘　要

本研究為探討本團隊近年來在矽基板氮化鎵高頻元件之技術發展。討論磊晶結構與元件製

作技術兩部分，考量不同的的異質結構、歐姆接觸以及蕭特基接觸的技術應用。我們也提

出一種新的應用於高頻的混合型汲極結構以及部分矽基板移除技術。最後透過小訊號等效

電路模型來分析基板寄生效應對於氮化鎵高頻元件的影響。

AbstractThe study presents our recent technology development of GaN-on-Si RF devices. The

layer structure and device fabrication are discussed, which include different technologies

of GaN-based heterostructures and applications of ohmic and Schottky contacts. The

novel technologies of hybrid-drain structure and silicon substrate partial removal for

achieving high speed GaN-on-Si HEMTs are proposed. Finally, the parasitic substrate

effect on device speed is discussed by using the small-signal equivalent circuit model.

關鍵字／Keywords ● 氮化鎵、高電子移動率電晶體、高頻、高功率放大器

● Gallium Nitride (GaN)、High electron mobility Transistor (HEMT)、Radio Frequency、Power amplifier

主題文章528

前 言

應用於高頻之氮化鎵(Gallium Nitride, GaN)技術在

近年來被廣泛討論及研究。由於氮化鎵材料具有寬能隙

(~ 3.42 eV)、高電子飽和速度(~ 2.7×107 cm/s)、大崩潰

電場(~ 3.3 MV/cm)以及在二維電子氣(Two-dimensional

Electron Gas, 2DEG)通道中具有高電子遷移率(~ 2000 cm2/

，這些特性使得氮化鎵元件用來設計功率放大器以

應用於無線通訊系統變的相當具有潛力。此外，近年的

研究指出可將氮化鎵結構成長於大尺寸的矽基板，使得

低成本與同時達成高性能的氮化鎵元件變得可行[1]。表1

整理了常用於高頻的材料特性。JFOM( = Ec sat / 2π )是

一個常用於評估材料用於高頻的一個指標，可以看到氮

化鎵材料在高頻應用上具有優越的特性。

本研究將探討應用於高頻之氮化鎵高電子遷移率電

晶體(High Electron Mobility Transistors, HEMTs)設計，討論

磊晶結構、歐姆接觸以及閘極掘入技術。此外，我們也

提出蕭特基汲極結構來改善元件高頻特性，包含混合型

汲極結構(Hybrid Drain Structure)的設計。也討論部分矽

基板移除在高頻元件應用的可行性。最後，透過小訊號

等效電路模型的建立，來分析氮化鎵高頻元件的基板寄

生效應影響以及可能潛在的瓶頸。

磊晶結構與製作技術

圖1為一種矽基板氮化鋁鎵/氮化鎵高頻元件之標準

結構。成長於高阻值矽基板上，透過良好控制的成核層

(Nucleation Layer)與緩衝層(Buffer Layer)成長，一個高品

質的氮化鎵通道層(Channel Layer)可以被成長於矽基板

之上，接著成長氮化鋁鎵阻障層(Barrier Layer)。氮化鋁

鎵/氮化鎵異質結構具有高壓電效應以及自發極化效應，

使得該結構可形成二維電子氣，並且展現高載子密度(~

1×1013 cm-2)以及高電子遷移率。然而，該結構的晶格

不匹配所導致的應力問題，將影響長期可靠度問題。因

此，近年來有提出使用氮化鋁銦/氮化鎵異質結構來製

作高頻元件，由於該結構的晶格匹配，且具有相當大的

自發極化效應，可引入大量的載子密度(~ 2.7×1013 cm-

2)。具有晶格匹配的結構將有機會改善元件的可靠度。此

外，高自發極化效應也使得氮化鋁銦作為阻障層可以使

用更薄的磊晶層(大約為氮化鋁鎵的1/3)，有助於改善元

件的深寬比(Aspect Ratio)。深寬比為閘極線寬與阻障層

厚度的比值，對於元件的短通道效應有相當大的影響。

一般來說，具有較高的深寬比可以有較佳的抑制短通道

效應。圖2為本團隊製作之氮化鋁銦/氮化鎵元件的高頻

特性，透過微縮的閘極線寬(~ 0.11μm)以及源-汲極的距

離(~ 1.5 μm)，可以達到fMAX超過100 GHz的元件特性，並

且達成JFOM為 [2]。

氮化鎵元件之製作技術

表 1　 Si、SiC、GaAs 與 GaN材料特性比較。

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奈米通訊NANO COMMUNICATION 24 卷 No. 4 應用於射頻之矽基板氮化鎵元件技術

蕭特基接觸與歐姆接觸的最佳化對於元件高頻特性

將有相當大的影響。一個高品質的歐姆接觸能夠減少傳

輸損耗，進而改善增益與效率。此外，已有文獻指出假

如沒有良好的製作，歐姆接觸有可能對元件的崩潰電壓

造成影響 [3-5]。在另一方面，閘極所使用的蕭特基接觸會

影響元件的轉導，進而影響元件的 fT與 fMAX。

由於寬能隙的本質材料特性，會提升歐姆接觸最佳

化的難度。一般常用於製作歐姆接觸的金屬堆疊結構為

Ti/Al/Ni/Au，通常在形成歐姆接觸時會有金屬向下穿入

(Metal Spikes)的現象，有時甚至會達到緩衝層，影響元

件操作時的電場分布或強度，進而導致未成熟的崩潰情

況。有鑑於此，我們提出使用矽擴散 (Si Diffusion)來減

緩金屬向下穿入的問題，如圖 3所示。除此之外，延伸

的擴散長度 (Lext)可以形成第二個電場尖端，使的原本的

電場可以被降低，進而改善元件的崩潰電壓 [6]。

蕭特基閘極掘入 (Schottky-gate Recess)技術可以減

少電極與 2DEG的距離，有助於改善元件的轉導特性，

進而提升元件的高頻特性。在掘入時使用的蝕刻條件是

相當重要的。我們透過調整不同的蝕刻參數來達成蝕刻

後的表面仍具有相當程度的平整。其中一個重要的參數

就是腔體壓力，提升壓力可以增加腔體內離子之間的碰

撞，因此降低了離子轟擊表面的程度，進而提升蝕刻後

的表面平整度，如圖 4 所示，其中 Rq 為粗糙度均方根

值，Ra為粗糙度平均值。我們將此技術應用於蕭特基二

極體的製作，達成目前矽基板氮化鎵元件最高的崩潰電

壓以及 BFOM (= μn εs c3) [7]。

圖 1　 (a)Al0.25Ga0.75N/GaN異質結構與 (b)In0.17Al0.83N/GaN異質結構。

圖 2　 In0.17Al0.83N/GaN HEMTs的量測高頻特性 (插圖 : T型閘極的

SEM圖 )。

圖 3　 矽擴散技術用於歐姆接觸

主題文章530

矽基板氮化鎵高頻元件設計考量

4.1 混合型汲極結構

微縮閘極線寬是一個很明確的方式可用來提升元件

的高頻特性。除此之外，微縮源-汲極之間的距離也可以

被用來提升元件的高頻特性。透過減少源-汲極距離，

通道內載子的傳輸距離也隨之降低，進而提升元件的速

度。基於這個概念，我們提出混合型汲極結構來縮短源-

汲極之間的距離。與傳統的歐姆汲極相比，混合型汲極

中的蕭特基汲極具有相當平整的表面與側壁，因此相當

有利於縮短距離[8]。此外，形狀類似於Г的混合型汲極，

可以有效降低原本在歐姆汲極的電場，並且在蕭特基汲

極的側壁形成一個新的電場強度，如圖5所示。由於歐

姆汲極的電場強度被減緩，因此有助於提升元件的崩潰

電壓[9]。此外，我們也研究混合型汲極在對高頻特性的

影響，由於源-汲極距離縮短，因此能夠提升元件高頻特

性，此結構並已成功取得美國專利[10-11]。

4.2 矽基板氮化鎵元件之矽基板移除技術

由於基板效應會影響元件高頻特性，所以到目前為

止大部分的矽基板氮化鎵高頻元件仍製作在高阻值的矽

基板之上。然而，相較於低阻值矽基板，高阻值矽基板

的基板強度較弱，使得大尺寸高阻值矽基板的翹曲程度

會更加明顯。此外，高阻值矽基板成本也高出相當多。

有鑑於此，近年來有一些文獻已開始研究在低阻值矽基

板上製作氮化鎵高頻元件的可行性[12]。在這技術當中，

如何有效移除基板效應就是一個值得研究的課題。透過

微機電製程的啟發，我們提出一個部分移除矽基板的方

法，如圖6所示。傳統上，已有文獻使用從背面將矽基板

挖洞，移除一部分的矽

基板，但此方法需要將

一小部分的矽基板整塊

移除 [13]。而我們提出從

上面往下蝕刻，可有效

去除矽基板與成核層間

的介面，但仍維持大部

分的矽基板。這樣的方

式具有較簡單的製程步

驟，也有較佳的散熱控

制。

圖 4　 表面平整度與腔體壓力的關係 º

圖 5　 (a)混合型汲極與 (b)歐姆汲極之電場分布 º

圖 6　 應用於高頻之部分矽基板移除技術概念 º

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4.3 具有基板效應之小訊號等效電路模型分析

圖7(a)為應用於矽基板氮化鎵元件之小訊號等效電

路模型，我們引入Rsub與Csub來分別描述矽基板阻值以及

緩衝層電容。根據標準的模型參數，圖7(b)與(c)為探討不

同的Rsub與Csub對於高頻特型的影響。我們發現假如Rsub很

小的時候(對應低阻值矽基板)，高頻特性會被Csub影響重

大。在另一方面，假如Csub很小的時候，Rsub對於高頻特

性的影響就會變的不重要。這說明假如使用低阻值矽基

板來製作高頻元件，我們就必須謹慎考量Csub，提升緩衝

層的厚度也許是一個可行的方法。

結 論

本研究中，我們提出的幾種可應用於高頻之矽基板

氮化鎵元件的相關技術。晶格匹配的氮化鋁銦/氮化鎵異

質結構有助於提升元件可靠度。此外，由於深寬比的提

升，有助於改善元件短通道效應。歐姆接觸最佳化與蕭

特基技術對於高頻特性的影響也相當重要，提出的矽擴

散以及低損傷的閘極掘入技術，也有助於提升高頻元件

特性。此外，我們提出混合型汲極結構來同時改善元件

的直流與高頻特性。最後透過小訊號等效電路模型來分

析基板寄生效應對高頻特性的影響。低阻值矽基板配合

增加緩衝層厚度將有機會用來製作高頻元件。

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圖 7　 (a)包含基板效應之小訊號等效電路模型 (b)Csub變化對於高

頻特性的影響 (Rsub很小的情況 )與 (c) Rsub變化對於高頻特

性的影響 (Csub很小的情況 )º

主題文章532

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