第三類半導體因具有寬能隙、低漏電、耐高電壓及高溫等特性，且其能源轉換效率更好，因此普遍被應用於功率元件。而氮化鎵元件可支援更高的開關切換頻率，並提供極佳的功率密度，在相同電氣性能下，可有效縮減整體系統的尺寸。
寬能隙半導體(Wide Band Gap Semiconductors)如氮化鎵(Gallium Nitride, GaN)與碳化矽(Silicon Carbide, SiC)，是近年熱門的化合物半導體材料，又稱為第三類半導體。相對於以往第一類(矽)與第二類(GaAs、InP)半導體，第三類半導體因具有寬能隙、低漏電、耐高電壓及高溫等特性，且其能源轉換效率更好，因此普遍被應用於功率元件。而氮化鎵元件可支援更高的開關切換頻率，並提供極佳的功率密度，在相同電氣性能下，可有效縮減整體系統的尺寸，通常被應用於中功率、中壓(50V至900V)產品。至於SiC元件則適用於高功率、高壓(1,000V以上)的相關應用。
以氮化鎵電晶體為例，目前已廣泛應用於手機和筆電等消費性電子產品的快速充電市場上，同時，資料中心(Data Center) 需求的快速成長，也成為氮化鎵電晶體的另一個重要應用領域。再加上，未來隨著各國陸續禁售燃油車，車載充電器(On Board Charger, OBC)和電動車DC-DC轉換器等應用，也將成為氮化鎵電晶體大放異彩的舞台。從上述趨勢可觀察到，氮化鎵電晶體不但將成為眾多汽車製造商爭相角逐的關鍵技術，亦正逐步展現出廣泛的市場潛力。
本文將透過筆者過去的驗證分析經驗，結合半導體產業第一線觀察。從兩大常用的功率電晶體結構，進一步分享到如何定位出氮化鎵電晶體晶片異常點，有效提高物性故障分析時找到缺陷的機率，擺脫找不出異常點的困擾，以加速產品的驗證與良率的有效提升。
垂直式功率電晶體架構彈性可靠
現今常用的功率電晶體架構，可概分為垂直式結構(Vertical Structure)與水平式結構兩大類。
垂直式結構
一般Si與SiC普遍使用的垂直式功率MOSFET結構(Vertical Double-diffused MOSFET, VDMOS)，在此結構中，電流路徑如圖1所示。為了改善其電氣特性，常用手法包括採用特殊的溝槽式閘極(Trench Gate)設計，以及減薄晶圓厚度等方式。
水平式結構
水平式功率MOSFET結構(Lateral Double-diffused MOSFET, LDMOS)，通常被廣泛應用於矽基材的電晶體中。而本文重點氮化鎵高電子移動率電晶體(High Electron Mobility Transistor, HEMT)亦採用該類LDMOS的結構(圖2)。
目前市場主流為GaN-on-Si架構，利用氮化鎵磊晶和金屬導線等相關製程，將P型摻雜氮化鎵的閘極(Gate)，與源極(Source)和汲極(Drain)實現於矽基板(Si Substrate)之上，這種結構有以下優點：
- 可與標準的矽晶圓製程相容，製程更具彈性化，使其可於一般晶圓廠閒置產能進行量產，成本因此更加親民。
- 在GaN和Al GaN之間形成的二維電子氣(2-Dimensional Electron Gas, 2DEG)異質介面，具有非常高的電荷密度和遷移率，這樣的組合有效降低RDS(on) 並提高元件的運算速度。
- 利用P型GaN進行二維電子氣通道的阻斷設計，使原先常開模式(Normally Open)元件改變為增強型(Enhance Mode)的常閉模式(Normally Off)，其與Si MOSFET的驅動方式類似，以方便設計者使用。
- 該結構無閘極氧化物可提供高閘極可靠性。
善用背向分析技術 基板移除速找GaN晶片異常點(1)
