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綠色科技研究中心 「高功率氮化鎵電晶體之開發及應用計畫」介紹

 

綠色科技研究中心

「高功率氮化鎵電晶體之開發及應用計畫」介紹

張連璧教授、邱顯欽教授、陳乃權教授、蔡明義教授、陳偉倫副教授

本校「綠色科技研究中心」( Green Technology Research Center;GTRC,詳見:官方網站 ) 成立於 2007 年,設置之目的為因應全球對綠色能源與環保科技之發展趨勢,以「太陽能電池」、「照明科技」及「智慧型能源管理」為三大研究主軸,垂直整合校內之化工、光電、電子、電機、機械學系之專業技術及台塑體系的資源,形成完整的研究鍊,以達到核心元件之自主化及材料高質化,進而提升我國工業基礎技術能力與產品精緻度。本中心設有主任一人,研究團隊依專業分工,支援中心之重點研究計畫。

「高功率氮化鎵電晶體之開發及應用計畫」為本中心目前之重點發展計畫之一,其總體目標係以矽基板上氮化鎵材料為主的高功率半導體製作技術,垂直整合電力電子轉換及控制技術,並輔以熱流管理,以達到核心元件及技術自主化及高質化的目的。以氮化鎵為材料之高功率半導體,具有高抗熱、高崩潰電壓、高電子飽和速度,其中理想的壓電效應產生的高電流密度,使得氮化鎵高速場效應電晶體的導通電阻,只有傳統矽基板功率電晶體的百分之二,若再利用覆晶技術及抗靜電封裝,不但可增加散熱能力,更適合應用於長期在高溫、高靜電環境下之高功率電源系統。

本校「綠色科技研究中心」為國內少數具有完整的氮化鎵磊晶成長設備、半導體元件製程及量測設備之學術研究單位。在電晶體製程與量測上,台塑集團所屬之南亞光電與台塑研發中心捐贈本中心一條 GaN 兩吋製程量測線,其目的在於提高研發效率與優化製程技術:

1. 氮化鎵磊晶成長設備部分:

本中心磊晶實驗室擁有完整的磊晶設備及量測系統,在磊晶設備方面,目前擁有一台 Aixtron 200 MOCVD 機台,以及兩台日本日酸長壓型 MOCVD 機台。過去本中心在此機台上已成功地發展許多氮化物元件,如藍光 LED、HEMT 等。在元件量測方面,本實驗室有一整套完整的電性及光性量測系統,在電性量測機台方面分別有 Agilent 4294 為阻抗量測分析儀,可量測元件之電容特性,Keithley 2430 I-V 量測系統,可量較大電流達 10A,並含脈衝模式之功能,可分析高功率元件之熱效應;Keithley 6485 為微電流計可量微小電流最低達 pA,在光性量測系統方面,有雷射光源為 266nm 325nm HeCd 雷射,可激發氮化合物材料的電子-電洞,觀測其材料能隙及電子-電洞複合機制以判斷材料品質。另外,本中心實驗室還備有三套不同溫度範圍之變溫量測系統,溫度範圍可從最低溫 20K 最高溫 500K 左右,可以量測元件在低溫至高溫下載子遷移等機制。

2. 半導體元件製程與量測設備部分:

本中心除了擁有半導體製程實驗室及無反射實驗室,包含網路分析儀設備、針對磊晶材料與磊晶品質檢測,建置一套高解析度 X 光繞射系統;亦整合電子系『化合物半導體製程實驗室』,目前建置完成有化學氣相沉積系統 ( CBE )RTAALD、濺鍍系統、蒸鍍系統、電子束蒸鍍系統、ICPRIE 蝕刻系統、氧化爐系統、晶粒分割機、黃光室、電鍍槽、清洗室等,已具有完整之黃光製程能量以及金屬薄膜,金屬氧化物薄膜,有機化合物等電子束蒸鍍系統及濺鍍系統。『化合物半導體量測實驗室』建置完成有紅外線 FTIR 系統、表面曲跡儀、變溫霍爾系統、變溫 EL 系統、變溫 IV 系統、變溫 PL 系統、加熱式覆晶機台與高頻量測設備等。本中心歷經多年建設,從磊晶到製程,已經建構一套非常完整的化合物半導體量測及製作技術。電性量測部分技術發展設備方面有一台 50GHz 以及一台 110GHz 網路分析儀 ( Network Analyzer ) 與高功率探針平台 ( >3000V ),微波與靜電隔離室,50MHz~67GHz 頻譜分析儀以及一台 Flip-chip Bonder,為了達到系統封裝與晶片方面製作與微調製程技術,封裝方面微影技術利用深紫外線曝光機製程線寬技術已達 0.5 微米,活性離子蝕刻技術可以在矽基板,或是砷化鎵基板達到 5-10 微米的蝕刻深度,電鍍銅柱覆晶技術已經可以成功電鍍出 50 微米的覆晶柱。

本計畫由低成本高散熱矽基板磊晶技術開始,在氮化鎵緩衝層與主動層設計與磊晶品質最佳化,配合低壓水平式 ( 崩潰電壓 >600V,切換速度 >3MHz ) 及高壓垂直式 ( 崩潰電壓 >1200V,切換速度 >1MHz ) 氮化鎵場效應電晶體開發,已經成功製作出 288V 650V 之電壓升降壓單晶片。封裝部分將採覆晶架構,即是將高壓元件,或是其他控制與系統調變晶片,以覆晶的方式將晶片覆晶在子基板上,利用電柱或金球連結子基板與晶片的電極,形成一散熱的管道,最後搭配抗靜電封裝技術,除了可降低功率電晶體元件之漏電流與增加系統效率之外,也可因此增加散熱能力及提高耐用度,此為台灣工業 MOCVD 磊晶技術的一大突破。該自主化核心元件將與電機系之電力電子電路設計及控制垂直整合,未來將應用於電動車馬達驅動轉換器、蓄電池充放電轉換器及平衡電路,成為主要的高功率電力電子元件。

氮化鎵功率電晶體的導通及截止速度遠高於傳統的 MOSFET,這代表其具有更低的切換損失及熱排,可有效降低散熱系統的能耗。若應用於更高頻切換時 ( >100kHz ),除了可大幅改善馬達驅動用轉換器的電源品質,亦可降低馬達的轉矩脈動產生的噪音。然而,由於電晶體在高頻切換時,容易因為線路寄生電感引起的暫態電壓;因此,本計畫功率電晶體的驅動電路設計上,將採用本團隊既有開發的具柔性切換能力之變流器。另外,功率可逆型升壓轉換器的主要目的是將電動車蓄電池的電壓提升至 600V 以上,用以驅動電動車馬達,並可將馬達煞車時轉子所儲存的動能回充至蓄電池,增加電動車的續航力。而在蓄電池的充放電控制部分,本計畫將採用一套新型的電池殘電量 ( State of Charge;SOC ) 估測技術,可用於檢測局部劣化或充電不足的電池,若再搭配電量平衡技術,將可大幅延長電池的使用壽命。本計畫之主要的研究方向涵蓋了從低成本高散熱矽基板上成長磊晶片、整流蕭基二極體與水平與垂直式高壓元件製程、晶片封裝、靜電與突波保護電路設計,並垂直整合開發到整體高效能電動車用馬達驅動器模組及熱管理等各個重要層次的關鍵研究領域,並兼具了學術研究上的新穎性、相關技術實務應用上的關鍵元件與保護電路開發。

除了先進的研究設備及技術之外,本計畫主要的成員來自本校光電所、電子系、電機系及機械系,研究成員在本校綠色科技中心的編制下有多年的研究合作經驗,過去幾年在綠能光源上與氮化物太陽能電池研究上的配合具有相當程度之默契。本校向來秉持著創辦人王先生所倡「勤勞樸實」的校訓,除了在教學研究上認真努力,還致力於利用厚生,並循此累積有用的經驗,鍛練智慧及自信。而生活樸實,才能心無旁鶩,專心致意於目標之追求。期望有此志向者,加入我們的團隊,讓我們共同努力,貢獻國家社會。

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