【發布日期】: 2013-05-20

【新聞來源】: Semiconductor Today/ High-speed modulation in high-power nitride semiconductor LEDs/ Hybrid ohmic-Schottky drain for higher breakdown in nitride HEMTs on silicon

 

    國立清華大學電機工程學系吳孟奇教授研究團隊與徐碩鴻教授研究團隊，利用氮化物材料特性，結合創新技術，分別研發出(一)「高頻調變發光二極體」與(二)「高崩潰電壓及低漏電流之矽基板氮化鎵電晶體」，在LED領域與電晶體領域大放異彩。此兩項研究成果獲英國知名半導體產業技術雜誌Semiconductor Today深度報導。

 

（一）高頻調變之氮化物發光二極體

吳孟奇教授研究團隊

    

   由國立清華大學電子工程所吳孟奇教授研究團隊所發展的「高頻調變發光二極體」已刊登於IEEE EDL雜誌上【廖健嵐、張永富、何充隆, IEEE Electron Device Letters, 發表於2013年3月28日http://ieeexplore.ieee.org/】，因目前LED均致力於發展高亮度的效能上，對於其頻率的研究並未多加著墨。而清華研究團隊在InGaN LED上利用原材料的特性搭配實驗的設計，使得目前LED操作在35 mA下有225.4 MHz及1.6 mW的表現；而這項研究主要根據兩種關鍵技術：一為以原子層沉積系統（ALD）沉積之GZO；另一為減小RC時間常數。

 

上圖一為自我侷限電流注入結構之區域放大示意圖，其上標示了數個電阻，分別代表：R _tco 為 TCO 層之橫向電阻分量、R_semi,L 為元件上表 P 型歐姆接觸層（OCL）之橫向電阻分量、R_semi,V 為元件上表 P 型歐姆接觸層之垂直電阻分量、R_int 為 TCO 與 OCL（如 P-type  GaN）之介面電阻分量、R_sw 為主動區側壁漏電路徑之電阻分量、R_sf 為元件上表表面漏電路徑之電阻分量。

 

    所謂自我侷限電流注入結構即為透過磊晶層的設計（厚度、濃度、組成等）使 R_semi,L >> R_semi,V，促使載子幾乎僅有往下方流動之行為；然此結構的成功施行有賴採用低電阻率、高穿透率之 TCO，以獲得均勻電流分佈（即 ρ_tco ≤ 10^-3 Ω-cm），且 TCO 與 OCL 間具備低介面電阻（ρ_C ≤ 10^-3 Ω-cm²）；而理想上，代表漏電路徑之 R_sw 與 R_sf 則應為 ∞。

其磊晶結構如上圖二所示，是使用有機金屬化學氣相沉積法沉積，搭配光罩的設計，達到高頻操作的效能。

上圖三為波長441 nm藍光LED室溫下光輸出功率及3 dB頻寬對電流圖。

 

    這項研究指出我們可藉由適當設計達到最佳化的發光侷限區域，根據想達到的頻寬及亮度，調整銲線墊及發光區域的大小，即可任意設計元件的頻寬及亮度，達到應用的完整性。

更多的文獻介紹可以參考以下網址：http://www.semiconductor-today.com/news_items/2013/APR/TNTH_100413.html

 

 

(二)高崩潰電壓及低漏電流之矽基板氮化鎵電晶體

 

徐碩鴻教授研究團隊

 

    近年來，成長於矽基板的氮化鎵(GaN)高載子遷移率電晶體 (HEMT)的研究受到相當的重視。氮化鎵具有寬能隙及大電場下高電子遷移率的特性，對於高功率及高頻元件的應用具有很大潛力。而於大面積之矽晶圓上成長氮化鎵使得成本下降，並有可能與矽基金氧半電晶體(MOSFET)結合，突破MOS先天於高功率且高速的限制，帶來極大的商機。然而，由於基板成長緩衝層時的缺陷與錯位，使電晶體之漏電流上升，降低系統的效率。並且，此漏電流亦將使電晶體的崩潰提早發生。此外，亦有文獻證明製作歐姆接觸時，高溫退火後產生的金屬尖突(metal spike)會使電場集中造成元件的漏電流上升。

       在本研究中，我們比較了不同的汲極結構，分別為傳統的歐姆汲極、蕭特基汲極，及我們所提出的一種新型的混合型(歐姆/蕭特基)汲極，分別如圖1(a)(b)(c)所示。

圖一: 不同型態的汲極結構剖面圖 (a)歐姆汲極(b)蕭特基汲極(c)混合型汲極

研究結果顯示，與傳統的單一電極型相比，利用混合型電極可以有效分散電場，進而改善崩潰電壓，並降低漏電流。分別如圖2與圖3所示，與傳統的歐姆型汲極結構相比，混合型汲極結構可以改善崩潰電壓達64.9%，並且可以大幅降低元件的漏電流。由實驗結果證明，利用混合型汲極結構來製作氮化鎵高載子遷移率電晶體確實可以有效改善元件的崩潰電壓與漏電流的特性，此乃由於混合型汲極結構的設計能夠有效分散電場。

圖二: 不同汲極結構之崩潰電壓比較圖

圖三: 不同汲極結構之漏電流比較圖

 

      此研究成果亦發表於國際著名期刊IEEE Electron Device Letters (“AlGaN/GaN HEMTs on silicon with hybrid Schottky-Ohmic drain for high breakdown voltage and low leakage current,”July, 2012)，且此技術目前已成功技轉給廠商。更多的文獻介紹可以參考以下網址：http://www.semiconductor-today.com/news_items/2012/JUNE/TNTHU_290612.html

【相關報導】: 

LED技術突破　清大電機教師獲國際肯定    台灣好新聞/記者季大仁／新竹報導

台灣/清大研發電子元件 登國際期刊       中央日報/李漢揚/整理

清大發明LED新技術 上國際期刊     聯合報╱記者張念慈／新竹報導