臺灣博碩士論文加值系統

氮化鋁鎵/氮化鎵(AlGaN/GaN)高電子遷移率場效應電晶體(High Electron Mobility Transistors, HEMTs)非常適合操作在高頻、高功率的情況下；但是當元件操作於高功率時，其內部所產生的熱應力會限制住元件的特性，因此本論文提出利用覆晶的方式將 AlGaN/GaN 功率HEMT 元件覆晶於氮化鋁(AlN)高散熱子基板來改善元件內部的散熱問題。
我事在靜電防護方面，靜電傷害所造成的元件故障是半導體元件所要面臨的問題，在氣候較乾燥的地區，由於電荷的累積，此問題會變得更加嚴重。在本論文中，我們以覆晶型功率HEMT元件的方式達到解決元件散熱問題與防護靜電傷害的目的，同時更進一步研製出具二維電子氣(2DEG)之金屬-半導體-金屬(MSM)壓變電容結構，覆晶於氮化鋁(AlN)高散熱子基板上與 HEMT 的閘極端串聯，來達到進一步提高ESD 免疫能力的目的。

AlGaN/GaN heterostructure high electron mobility transistors (HEMTs) have great potential in high frequency and high power application. However, under high current operation condition, the excess heat of the HEMT devices will decrease the carrier mobility in the correspondent channel region and limit their power output capabilities. Therefore, a Flip-Chip(FC) technology is adopted in this study to solve the heat-sinking problem in order to achieve the goal of high output power AlGaN/GaN FC HEMT.
In the second part, the Electrostatic Discharge (ESD) immunity is also another subject we pay close attention to. The failure which ESD caused is an issue for power HEMT device; especially in the continental area with a dry climate, the charge accumulation problem will become much serious. In this thesis, we solve the heat problem and increase the ESD immunity of HEMT device by flip-chip technology. Furthermore, by using a series 2DEG-MSM varactor which connected to the gate of HEMT and an AlN submount, the ESD immunity and the heat-sinking capability of the fabricated FC HEMT is again enhanced and detailed.

總目錄
指導教授推薦書 i
口試委員審定書 ii
博碩士論文著作授權書 iii
致 謝 iv
摘 要 v
Abstract vi
總目錄 vii
表 目 錄 ix
圖 目 錄 x
第一章 序論 - 1 -
1-1 簡介 - 1 -
1-2 GaN 材料特性 - 6 -
1-3 論文架構 - 11 -
第二章 工作原理 - 12 -
2-1 HEMT 工作原理 - 12 -
2-2 覆晶鍵合技術 - 18 -
2-3 ESD 介紹 - 21 -
2-4 覆晶承載基板與 MSM 壓變電容元件對 ESD 防護之應用 - 27 -
第三章 實驗製程與方法 - 29 -
3-1 AlGaN/GaN HEMTs 元件製程 - 29 -
3-2 MSM 壓變電容元件製程 - 38 -
3-3 覆晶承載基板製程 - 41 -
3-4 HEMT 元件與 MSM 元件特性量測方式 - 45 -
3-5 靜電放電測試與量測方式 - 46 -
3-5-1 靜電槍簡介 - 46 -
3-5-2 ESD 破壞分析 - 49 -
第四章 結果與討論 - 52 -
4-1 覆晶前 HEMT 元件特性分析 - 53 -
4-2 覆晶後 HEMT 元件特性比較 - 56 -
4-3 覆晶後 HEMT 元件高頻特性量測 - 61 -
4-4 MSM 變壓電容元件特性量測 - 62 -
4-5 覆晶後靜電脈波測試量測 - 64 -
第五章 結論與未來展望 - 67 -
參考文獻 - 69 -


表 目 錄
表1. 1 半導體物理特性比較表 - 4 -
表1. 2 三族氮化物的極化參數表 - 8 -
表2. 1 不同基板之物理特性比較表 - 17 -
表2. 2 國際測試標準規範 IEC 6100-4-2 之電流上升時間與放電電流 - 23 -
表2. 3 HBM、MM、CDM 三種模式之耐壓分級表 - 26 -
表4. 1 覆晶前後電壓電流特性比較表 - 59 -
表4. 2 有無鍍 SIO2 的電容值比較表 - 63 -


圖 目 錄
圖1. 1 GAN 在軍事與通訊上的應用 - 5 -
圖1. 2 鎵原子(左)與氮原子(右)為終結面的極化示意圖 - 7 -
圖1. 3 ALGAN/GAN 受到不同應力的極化電荷(A)ALGAN 層伸張應力 (B)GAN 層壓縮應力 - 10 -
圖2. 1 平衡狀態時單層異質接面能帶圖 - 13 -
圖2. 2 平衡狀態 ALGAAS/INGAAS/ALGAAS 雙異質接面能帶圖 - 16 -
圖2. 3 傳統型 HEMT 與覆晶型 HEMT 之熱傳導比較圖 - 19 -
圖2. 4 超音波覆晶機 - 20 -
圖2. 5 人體放電示意圖 - 23 -
圖2. 6 國際測試標準規範 IEC 6100-4-2 的等效電路圖 - 23 -
圖2. 7 機器放電示意圖 - 24 -
圖2. 8 測試標準 EIAJ-IC-121 等效電路圖 - 24 -
圖2. 9 元件放電模式等效電路圖 - 25 -
圖2. 10 HBM、MM、CDM 三種模式放電情形 - 26 -
圖2. 11 MSM 壓變電容結構示意圖 - 27 -
圖2. 12 MSM 壓變電容與 HEMT 覆晶在同一承載基板示意圖 - 28 -
圖3. 1 磊晶結構層 - 29 -
圖3. 2 HEMT 製程流程圖 - 30 -
圖3. 3 曝光機 - 36 -
圖3. 4 電子束蒸鍍機 - 36 -
圖3. 5 HEMT 元件完成圖 - 37 -
圖3. 6 MSM 壓變電容製作流程圖 - 38 -
圖3. 7 爐管 - 40 -
圖3. 8 MSM 元件完成圖 - 40 -
圖3. 9 承載基板製作流程圖 - 41 -
圖3. 10 打線機 - 43 -
圖3. 11 覆晶子基板完成圖 - 44 -
圖3. 12 MINIZAP ESD SIMULATORS(MZ-15) - 46 -
圖3. 13 AIR DISCHARGE MODE - 47 -
圖3. 14 CURRENT INJECTION MODE - 48 -
圖3. 15 SELF DISCHARGE MODE - 48 -
圖3. 16 絕對漏電流法 - 49 -
圖3. 17 相對電流-電壓漂移法 - 50 -
圖4. 1 元件覆晶後示意圖 - 52 -
圖4. 2 IV 輸出特性曲線 - 54 -
圖4. 3 汲極電流與轉導特性曲線 - 55 -
圖4. 4 元件的蕭基二極體特性圖 - 55 -
圖4. 5 覆晶前後 IV 輸出比較圖 - 57 -
圖4. 6 理論上由晶格與雜質散射所造成的移動率對溫度的關係 - 58 -
圖4. 7 覆晶前後汲極電流與轉導特性曲線圖 - 58 -
圖4. 8 覆晶前後蕭基二極體特性比較圖 - 60 -
圖4. 9 高頻特性圖 - 61 -
圖4. 10 電容-電壓特性圖 - 63 -
圖4. 11 覆晶後元件的ESD免疫能力放大圖 - 65 -
圖4. 12 元件經過 1300V 的靜電破壞後的 IV 輸出特性 - 65 -
圖4. 13 元件在經過1500V 的靜電破壞後的ESD免疫圖 - 66 -
圖4. 14 元件經過1500V的靜電破壞後的 IV 輸出特性圖 - 66 -

1. 林朝瑋，“高介電係數材料應用於異質結構高電子遷移率場效電晶體研製與硫化披覆特性應用”，碩士論文，長庚大學電子研究所，桃園，第 1-6 頁，2008。
2. R. Dingle, H. L. Stormer, A.C. Gossard and W. Wiexmann, “Electron mobilities in modulation-doped semiconductor heterojunction superlattices”Appl. Phys., Vol. 33, p665-667, 1978.
3. S. Hiyamizu, T.Mimura, T. Fujii and K. Nanbu,“A new Field-Effect Transistor with Selectively Doped GaAs/n-AlGaAs Heterojunctions,” Jan. J. Appl. Phys., Vol. 19, L225-L227, 1980.
4. J. W. Matthews and A.E. Blakesless, J. Chystal Growth, Vol. 27, p.118,1974.
5. S.M. Sze,“High-speed semiconductor devices”, John Wiley, 1990.
6. T. P. Chow, and R. Tyagi,“Wide Bandgap Compound Semiconductors for Superior High-Voltage Unipolar Power Device,”IEEE Trans. Electron. Dev., Vol.41, pp.1481-1485, 1994.
7. Frank Schwierz, and Juin J.Liou, “Modern Microwave Transistor”, Wiley-Interscience, New Jersey, 2003.
8. O. Ambacher,“Growth and applications of group Ⅲ-nitrides”, Journal of Physics Vol.31, pp.2653-710 ,(1998).
9. IET Conference Publications (551 CP), (2009), Han, L., Xin, Z., Zhen-Kun, Y.,“The application analysis of GaN power devices in radar transmitter”.
10. U.K. Mishra , P. Parikh, Y.F. Wu,” AlGaN/GaN HEMTs: An overview of device operation and applications,” Proceedings of the IEEE, vol. 90, pp. 1-16, 2002.
11. 余湘璘，“氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率場效電晶體元件結構與鈍化方式對高頻率及高功率之特性分析”，碩士論文，中央大學電機工程研究所，桃園，第 4-10 頁，2009。
12. O. Ambacher, J. Smart, J. R. Shealy, N. G. Weimann, K. Chu, M. Murphy, W. J. Schaff, and L. F. Eastman,” Two-dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization charges in N- and Ga-face AlGaN/GaN heterostructures,” Journal of Applied Physics, vol. 85, pp. 334-344, 1999.
13. 鄭紹章，“氮化鋁鎵/氮化鎵高電子移導率電晶體製作於矽基板與藍寶石基板之特性比較與應用電路”，碩士論文，中央大學電機工程學系，桃園，第 7 頁，2008。
14. R. Gaska, A. Osinsky, J. W. Yang, and M. S. Shur, “Self-Heating in High-Power AlGaN-GaN HFET’s” IEEE Electron Device Letters, vol. 19, pp. 89-91, 1998.
15. Compound Semiconductor, “IMEC improves GaN HEMTs with ceramic substrates.” ,Vol. 20 Page:16-18, Number, 9, 2005.
16. Kun Zhaoa, Lei Jiab, Ji’an Duanc, Jianhua Zhanga, “Effects of Thermosonic Bonding Parameters on flip Chip LEDs.”
17. James Colby, ”Key considerations for ESD circuit protection,”Electronic Design, 2001.
18. X. Guo, Y.-L. Li, and E.F. Schubert, Appl. Phys. Lett. 79, 1936(2001).
19. 顏嘉逸，“覆晶型功率發光二極體發光效率、散熱特性及抗靜電能力提升研究”，碩士論文，長庚大學電子工程研究所，桃園，第18~22 頁，2009。
20. Hung Ngar Chun and To Ching Yuen, “ASM 南亞報告書AD819-11TS evalution”, 2006/01/11.
21. 廖仲偉，“場發射元件研製及其ESD 應用研究” ，碩士論文，長庚大學電子工程學系，桃園，第17~19 頁，2008。
22. S. Arulkumaran, T. Egawa, H. Ishikawa, T. Jimbo, and Y. Sano, Appl. Phys. Lett. 84, 613 (2004).
23. http://idt.csu.edu.tw/displaymaterial/數位化教材/99-1/半導體物理/lecture05.pdf