本校國際半導體產業學院吳添立副院長與比利時imec團隊跨國合作，製作出再成長p型氮化鎵功率元件於8吋矽基板，進而表現出目前最高臨界電壓（VTH=2.7V）與優異可靠度表現；意即在常溫與高溫環境下持續10年操作與1%失效率，所評估的閘極操作電壓皆高於7V，此成果發表獲刊於頂尖電子半導體元件期刊IEEE Electron Device Letters電子元件期刊。
近年來寬能隙（wide band gap）半導體元件在電動車、充電站、以及5G通訊等工業產業中受到高度注目，尤其是氮化鎵功率元件具備高耐壓能力與操作在MHz頻率。更多地是，相關太空應用報告也評估氮化鎵元件擁有較佳的抗輻射能力。
目前各家氮化鎵商用元件（GaN systems、Infineon、Innoscience等）所開發的產品是採納水平式導通結構且p型氮化鎵閘極結構是透過蝕刻製程所完成，其臨界電壓普遍落在1~1.5V，並穩定量產於6吋矽基板上。因應製造成本與未來市場需求，氮化鎵元件技術已逐步朝8吋矽基板的方向開發，然而成長大面積晶圓會衍生磊晶不均勻性等議題，此時維持穩定的元件電性即備受考驗。
吳添立副院長指出，再成長氮化鋁鎵與p型氮化鎵層（regrown AlGaN and p-GaN）能有效地控制8吋氮化鎵元件的臨界電壓變異度（variation），再者，透過設計之鋁含量與磊晶層厚度之再成長氮化鋁鎵磊晶層，元件的導通電阻（on-resistance）也同樣能準確設計，此技術有助於降低功率消耗。本實驗所製作的再成長氮化鎵元件擁有高臨界電壓（2.7V），此代表元件可有效地避免元件在高速切換時由於震盪（ringing）所導致的誤觸（false turn-on）情形。
與此同時，氮化鎵功率元件需突破的瓶頸為在長時間嚴峻操作條件下之可靠度表現。在團隊研究中驗證了再成長方式製作的氮化鎵元件擁有高於10V的閘極耐壓（gate breakdown）表現。再者，在常溫與150℃下之時間相關閘極崩潰（time-dependent gate breakdown）的評估中，經過韋伯作圖後，其元件在10年操作下所預測的閘極操作電壓分別為7V、7.46V。此成果確保元件在長時間穩定地運作。
目前氮化鎵元件已積極開發使用在快速充電裝置裡，而已知的主要應用範圍介於200V至900V之間。接續，氮化鎵元件將朝向更高電壓的範圍發展，此勢必有機會與碳化矽(SiC)競爭。台灣有許多廠商已在氮化鎵技術上耕耘多年，且作為知名氮化鎵設計廠的重要合作夥伴而名聲遠播。然而，業界持續需要更多深耕於此技術的學生，以拓展台灣在半導體產業的重要性。
吳添立副院長強調
在此特別感謝國科會年輕學者養成計劃、教育部、比利時imec及合作團隊的支持。
論文連結：
S.-W. Tang, Z.-H. Huang, S.-C. Chen, W.-S. Lin, B. D. Jaeger, D. Wellekens, M. Borga, B. Bakeroot, S. Decoutere, and T.-L. Wu, “High Threshold Voltage Enhancement-mode Regrown p-GaN gate HEMTs with a Robust Forward Gate TDDB Stability,” IEEE Electron Device Letters, 2022, doi: 10.1109/LED2022.3198876.
陽明交大研發處報導:
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