a GaN HFET Power Switching Device

Research on a Next-generation Power Semiconductor:

a GaN HFET Power Switching Device

Seung Yup Jang ^∗ · Sung-Woon Moon · Jinhong Park

MHS team, System IC R&D Laboratory, LG Electronics, Seoul 137-724, Korea (Received 1 October 2014 : revised 24 November 2014 : accepted 24 December 2014)

Based on current research results, we introduce a GaN heterojunction field-effect transistor (HFET) for a next-generation power semiconductor device. The wide bandgap (E

= 3.4 eV) and the high-temperature stability of GaN make it attractive for high-power device applications.

The low on-resistance and the fast switching speed of the GaN HFET will allow low-loss and high- power operation to be realized and consequently, allow the system size to be reduced. Here, first, we introduce the basics of the power semiconductor; then, we focus on the properties of the GaN HFET and the key technologies to make the GaN HFET a next-generation power switching device.

PACS numbers: 81.05.Ea, 85.30.Tv

Keywords: GaN, HFET, Heterojunction Field-effect transistor, Power semiconductor, Wide bandgap, Com- pound semiconductor, Power switching

: g6  w Š„ Çù o Ú  ¹ ÅI í Č ˜ my ¢= k Ž ì ŏ Œ: GaN HFET  ¹ ÅI í Ä­ Ž üÈ S Ë } º 

† ç

¡Š û B* ° ^∗ · ' Ö <) ç * Ö < · ƒ ‘ š . > ý — ¡

LG„   , System IC ƒ  ½ ¨™ è, MHS h Ë >, " fÖ  ¦ 137-724

(2014¸   10 Z 4 1{ 9  ~ à Î6 £ §, 2014¸   11 Z 4 24{ 9  à º& ñ ‘ : r ~ à Î6 £ §, 2014¸   12 Z 4 24{ 9  > F  S X ‰& ñ )

[ j@ / „  § 4 ì ø ͕ ¸^ ‰ ™ è – Ð y Œ • F  g ~ à Γ ¦ e ”   H GaN s 7 á x] X ½ + Ë „  > ´ òõ  à Ô ½ ™t Û ¼'  (heterojunction field-effect transistor, HFET) „  § 4 Û ¼0 Ag A ™ è \  @ /ô  Ç ƒ  ½ ¨\  ¦ ™ è> h “ ¦  ô  Ç . GaN HFET  H ü <

s

× ¼  ½ ™× ¼Ì “ s (wide bandgap, E

= 3.4 eV) : £ ¤f ç õ  “ ¦“ : r î ß –& ñ $ í 1 p x _  F « Ñ& h “    © œ& h  x 9  s 7 á x] X ½ + Ë (heterojunction) \  _ ô  Ç 2 " é ¶ „   Û ¼ (2DEG) \  ¦  Ö ¸6   x   H ½ ¨› ¸– Ð „  § 4 Û ¼0 Ag A ™ è – Ð  H  © œ& h `  ¦

”   . GaN HFET „  § 4 Û ¼0 Ag A ™ è _  ± ú “ É r “ : r $ † ½ Ó, Z  }“ É r Û ¼0 Ag A 5 Å q • ¸  H “ ¦´ òÖ  ¦, “ ¦Å Ò  1 l x  Œ •`  ¦  0

p

x >  # Œ, „  § 4  ì  r C /  ¨ 8 Š ´ òÖ  ¦ _  > h‚   x 9  „  § 4  r Û ¼% 7 › ™ è+ þ A o\  ¦ 0 p x >  ô  Ç . ‘ : r  7 Hë  H \ " f  H

„

 § 4 ì ø ͕ ¸^ ‰\  @ /ô  Ç ç ß –é ß –ô  Ç ™ è> h Ò'  r  Œ • # Œ, GaN Ó ü t| 9  : £ ¤$ í x 9  l ‘ : r& h “   HFET ™ è  : £ ¤$ í \  @ / K

 l Õ ü t “ ¦, ‰ & ³F  GaN HFET „  § 4 Û ¼0 Ag A ™ è  ½ ¨‰ & ³_  Ù þ ˜d ”  l Õ ü t \  @ /K   7 H _  “ ¦  ô  Ç .

PACS numbers: 81.05.Ea, 85.30.Tv

Keywords: GaN, HFET, s 7 á x] X ½ + Ë „  > ´ òõ  à Ô ½ ™t Û ¼' , „  § 4 ì ø ͕ ¸^ ‰, ü <s × ¼  ½ ™× ¼Ì “ s,  o½ + ËÓ ü t ì ø ͕ ¸^ ‰, „  § 4 Û ¼0 A g A

∗

E-mail: [email protected]

1

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Fig. 1. (Color online) Basic structure of the electric sys- tem [1].

I. " e  ] Ø -  ¹ ÅI í Č ˜ my ¢= k8 ý ú n ޓ Ó ÞV R ËÊ Ý Ñ ÷T © Ž

 O

© Ž¦ *  Œ ˜ my ¢= k8 ý 6 ‘ ¤

Energy saving õ  Green technology „   [ j> & h “    o

¿

º– Ð @ /¿ º÷ &€  " f, : £ ¤ y  „  § 4 `  ¦ / B N/ å L “ ¦   ¨ 8 Š   H õ & ñ

\

" f_  \  -t  ™ è— ¸ ×  æ כ ¹ô  Ç ë  H ] j– Ð ] jl ÷ &% 3  . z  ´] j

–

Ð Ä ºo  „  l \  ¦  6   x   H  ⠖ Ð\  ¦ Ò q ty Œ •K  ˜ Ѐ  , µ 1 τ  ™ è

\

" f µ 1 τ  ô  Ç „  § 4 `  ¦ Y O o  ˜ Ðè ­ q à º e ” • ¸2 Ÿ ¤ 5 p x · ú š`  ¦ “ ¦, s

\  ¦ ~ à Γ É r y Œ • t % i _    „  ™ è  H „  · ú š`  ¦ ± ú 2 X" f   · ú šl – Ð 5

Å x„   “ ¦,   · ú šl \ " f  H y Œ • & ñ \ " f  6   x ½ + É Ã º e ” >  „  

· ú

š`  ¦ ô  Ç     8 ± ú 2 X" f / B N/ å L`  ¦ ô  Ç  (Fig. 1) [1]. # Œl " f = å Q

  H  כ s   m  , Ä ºo   6   x   H „    ] j¾ ¡ §[ þ t“ É r 220 V “ §À Ó „  " é ¶`  ¦ Õ ª@ /– Ð  6   x t  · ú §“ ¦, # Qé ­ s'  “ ¦ Ô  ¦ o 



 H † ! Q'  (converter) \  ¦ : Ÿ x K  y Œ • ] j¾ ¡ § \  ´ ú   H f ” À Ó (DC:

direct current) „  " é ¶`  ¦ / B N/ å L ~ à Î   6   x ô  Ç . ] j¾ ¡ §[ þ t“ É r y Œ • y

Œ

• ½ ©  s   Ø Ôl  M :ë  H \  y Œ • \  ´ ú   H † ! Q'  e ” # Q  ô

 Ç . \ # Q† s 
 [ j„ à Ìl _   â Ä º  H — ¸'  ½ ¨1 l x`  ¦ 0 AK  “  

!

Q'  (inverter) \  ¦ [  t  9    H X <, 220 V “ §À Ó „  À Ó\  ¦ f ”  À

Ó „  À Ӗ Ð  Ë ¨“ ¦ Õ ª כ `  ¦  r  3 © œ “ §À Ӗ Ð  Ë ¨  H õ & ñ s

 Æ Ò– Ð € 9 כ ¹   [2]. s % ƒ! 3  z  ´  6   x \  € 9 כ ¹ô  Ç \  - t

   ¨ 8 Š \  ™ è— ¸÷ &  H „  § 4 “ É r  t
 ´ ú §“ É r à ºï  r Ü ¼– Ð, p ² D G _ 

›

¸ \  _  €   „  ^ ‰ \  -t  ™ è— ¸_  10%\  ¦ t  “ ¦ e ”  Ü

¼ 9, s   H ’  F Ò q t \  -t _  8 ú x Ò q tí ß –| ¾ Óõ  q 5 p w ô  Ç Ã ºï  r s 



 [3].

þ

j   H [ þ t # Q „  § 4 ì ø ͕ ¸^ ‰ ƒ  ½ ¨ Å Ò] j– Ð y Œ • F  g`  ¦ ~ à Γ ¦ e ” 



 H s Ä » # Œl \  e ”  . „  § 4 ì ø ͕ ¸^ ‰  H „  § 4 Û ¼0 Ag A ™ è  ü

< ] j# Q | 9 & h ™ è  (IC: integrated circuit) – Ð ½ ¨$ í ÷ &# Q e ”  Ü

¼ 9, [ þ t # Qš ¸  H „  § 4 `  ¦ ? / " é ¶   H + þ AI \  ´ ú >    ¨ 8 Š, ì

 r C  x 9  › ' a o    H Ù þ ˜d ”  ™ è   ½ + É Ã º e ”   H X <, s  „  § 4 ì ø Í

•

¸^ ‰ ™ è _  : £ ¤$ í \     r Û ¼% 7 › ß ¼l ,   ¨ 8 Š ´ òÖ  ¦ 1 p x „  

§

4  r Û ¼% 7 ›_  ´ ú §“ É r  Òì  r s    & ñ ÷ &l  M :ë  H s  . „  § 4 ì ø ͕ ¸

^

‰  H · ú ¡" f ƒ  / å L ô  Ç í ß –„  õ  „  _  „  § 4    ¨ 8 Š x 9   1 l x , ( Ž

É Ó' , : Ÿ x’   1 p x  _  — ¸Ž  H „    # Qe  ¦ o H s ‚  \   6   x ) a



. : £ ¤ y  þ j   H \   H — ¸ { 9  l l _  7 £ x , „  l  1 l x _  > h µ

1 Ïõ  ´ ú Ó ü t  9 Õ ª à ºכ ¹ / å L7 £ x “ ¦ e ”   [4].

Fig. 2. (Color online) Basic waveform of power switching device. On-state resistance (R

) = On-Voltage / On- Current.

„

 § 4 ì ø ͕ ¸^ ‰, : £ ¤ y  „  § 4 Û ¼0 Ag A ™ è   H l ‘ : r& h Ü ¼– Ð Z  }

“ É

r „  · ú šõ  „  À Ó\  ¦ ] j# Q   H ™ è s  . Figure 2  H „  § 4  Û

¼0 Ag A ™ è _  l ‘ : r& h “   1 l x  Œ •  + þ A`  ¦
  · p  כ s  . Õ ª a Ë

>\ " f ^  ¦ à º e ” 1 p w s  Û ¼0 Au  š ¸á Ô  © œI \ " f  H Z  }“ É r „  · ú š

`

 ¦ |  .  “ ¦, Û ¼0 Au  “ : r  © œI \ " f  H Z  }“ É r „  À Ó\  ¦ f  Ë w n

= à º e ” # Q  ô  Ç . M :ë  H \  { 9 ì ø Í ì ø ͕ ¸^ ‰\  q K " f “ ¦? /· ú š

$ í

, @ /„  À Ó o, “ ¦’  ø @$ í s  כ ¹½ ¨  ) a  . ÷  r ë ß –  m  , ´ òÖ  ¦

†

¾ Ó © œ`  ¦ 0 AK " f  H Û ¼0 Au  “ : r  © œI _  ™ è  $ † ½ Ó, 7 £ ¤ “ : r $ 

†

½ Ó`  ¦  Œ •>  # Œ „  • ¸ „  § 4  ’ < Hz  ´ (conduction power loss)

`

 ¦ ×  ¦ s “ ¦, Û ¼0 Ag A 5 Å q • ¸\  ¦  Ø Ô>  # Œ Û ¼0 Ag A „  § 4  ’ < Hz  ´ (switching power loss) `  ¦ ×  ¦ # Œ    H  Ò › ¸| s  Ò q t|  



.

@

/³ ð& h “   „  § 4 Û ¼0 Ag A ™ è – Ѝ  H é ß –~ ½ ӆ ¾ Ó „  § 4 Û ¼0 Ag A ™ è



“    0 > & ñ À Ó  s š ¸× ¼, € ª œ~ ½ ӆ ¾ Ó „  § 4 Û ¼0 Ag A ™ è “     0

> MOSFET (F K5 Å q í ß – o} Œ • ì ø ͕ ¸^ ‰ „  >  ´ òõ  à Ô ½ ™t Û ¼'  (metal-oxide semiconductor field-effect-transistor)),  0 >

BJT ( € ª œF G$ í ] X ½ + Ë à Ô ½ ™t Û ¼'  (bipolar junction transis- tor)), MOSFET õ  BJT_   © œ& h `  ¦ 2 [ô  Ç IGBT (insulated gate bipolar transistor), Thyrister (  s o Û ¼' ) 1 p x s  e ” 



. Figure 3“ É r  € ª œô  Ç „  § 4  # 3 0 Aü < Û ¼0 Ag A Å Ò à º\  @ / K

 ŠҖ Ð & h 6   x ÷ &“ ¦ e ”   H „  § 4 Û ¼0 Ag A ™ è \  ¦
  · p  כ s 



. Û ¼0 Ag A Å Ò à º 100 kHz s  © œs “ ¦ „  § 4 s  1 kW s 

“    â Ä º  H  0 > MOSFETs  ´ ú §s   6   x ÷ & 9, Û ¼0 Ag A Å Ò 

à º 100 kHz s  s “ ¦ „  § 4 s   H & h 6   x % ƒ\   H IGBT

 ´ ú §s   6   x ÷ &“ ¦ e ”  .

s

 Qô  Ç „  § 4 Û ¼0 Ag A ™ è   H @ / Òì  r z  ´o – B H (Si) ™ èF \  ¦ s

6   x # Œ [ O >  x 9  ] j Œ •÷ &“ ¦ e ” Ü ¼ 9, à ºz   ¸  ç ß – µ 1 τ  ÷ &“ ¦

»

¡ ¤& h ÷ &# Q“ : r Si l Õ ü t ” ¸ Ä º\  j Ë µ{ 9 # Q pn] X ½ + Ë x 9  > s à Ô ] X

ƒ   (insulating gate) / B N& ñ 1 p x`  ¦ s 6   x ô  Ç n  “  Ü ¼– Ð a % ~

“ É

r : £ ¤$ í `  ¦ ˜ Ð# ŒÅ ғ ¦ e ”  . Õ ª Q
 Si „  § 4 ì ø ͕ ¸^ ‰  H & h & h  כ

¹½ ¨÷ &“ ¦ e ”   H “ ¦´ òÖ  ¦  o x 9  œ í™ è+ þ A o ½ ¨‰ & ³\  # Q 9¹ ¡ § s  e ”

# Q Ó ü t$ í & h “   ô  Ç> u \   _  s Ø Ô! 3  “ ¦ ˜ Г ¦ e ” Ü ¼ 9,

Table 1. Properties of Competing Materials in Power Electronics [5–7]. Baliga FOM (figure of merit) = (Dielectric Constant) × (Electron Mobility) × (Breakdown Electric Field)

.

Material Band Breakdown Electron Electron Saturation Dielectric Baliga

Gap Electric Density Mobility Velocity Constant FOM

(eV) Field (V/m) (/cm

) (cm

/V/s) (cm

/V/s)

Si 1.1 0.3 ∼10

1300 1.0 11.8 414

GaAs 1.4 0.4 ∼10

3000 1.3 12.8 2460

SiC 3.2 3.0 ∼10

600 2.0 10.0 162000

GaN 3.4 3.0 ∼10

900 2.5 9.5 230850

GaN HFET 3.4 3.0 ∼10

1500 2.7 9.5 385000

Fig. 3. Power and switching frequency domains of the main power switching devices [4].

s

\  ¦ F G4 Ÿ ¤ l  0 AK " f  8 a % ~“ É r Ó ü t$ í `  ¦ ° ú   H ™ èF \  ¦ µ 1 ÏÏ ã J

“ ¦ z  ´] j ™ è – Ð ] j Œ •   H ƒ  ½ ¨ ”  ' Ÿ ÷ &“ ¦ e ”  .

@

/³ ð& h Ü ¼– Ð SiC (Silicon Carbide), GaN (Gallium Ni- tride) 1 p x _   o½ + ËÓ ü t ™ èF \  ¦ s 6   x ô  Ç ü <s × ¼  ½ ™× ¼Ì “ s (wide bandgap) ì ø ͕ ¸^ ‰ ™ è \  @ /ô  Ç ƒ  ½ ¨  Ö ¸ µ 1 Ïy  s À Ò# Qt 

“

¦ e ”  . s  Ó ü t| 9 [ þ t“ É r Si _   ½ ™× ¼Ì “ s (∼1.12 eV) ˜ Ð  €  • 3 C  Z  }“ É r  ½ ™× ¼Ì “ s`  ¦ t “ ¦ e ” l  M :ë  H \ , (Table 1) [5–

7] „  § 4 Û ¼0 Ag A ™ è – Ð ë ß –[ þ t # Qt €   l ” > r Si ì ø ͕ ¸^ ‰ ™ è 

@

/q  10C  s  © œ Z  }“ É r „  § 4  x 9 • ¸\  ¦ | 9  à º e ”  . ¢ ¸ô  Ç, Û ¼ 0

Ag A 5 Å q • ¸• ¸ À 1 Ï " f „  § 4    ¨ 8 Š x 9  / B N/ å L r Û ¼% 7 ›`  ¦  8 ´ òÖ  ¦

&

h s “ ¦ ( Ž Ø þ ˜à Ô >  ½ ¨$ í ½ + É Ã º e ”  . s  Qô  Ç  © œ& h Ü ¼– Ð “   K

 ü <s × ¼  ½ ™× ¼Ì “ s ì ø ͕ ¸^ ‰\  ¦ s 6   x ô  Ç „  § 4 Û ¼0 Ag A ™ è  > h µ 1

ϓ É r ŠҖ Ð p ² D G õ  { 9 ‘ : r _  ² D G  ƒ  ½ ¨l  › ' a x 9   r [ þ t`  ¦ ×  æ d ”

Ü ¼– Ð  Ö ¸ µ 1 Ï >  > hµ 1 Ï÷ &“ ¦ e ” Ü ¼ 9, Infineon, IR 1 p x l ” > r Si „  § 4 ì ø ͕ ¸^ ‰_  @ /³ ð& h “    r [ þ t x 9  TSMCü < ° ú  “ É r   î

 r × ¼o  " fq Û ¼ „  ë  H \ O ^ ‰• ¸ > hµ 1 Ï\  ~ Ã Ì \  ¦  “ ¦ e ”  .

þ j   H \   H { 9 Â Ò € ª œí ß –¾ ¡ § • ¸ Ø  ¦ r ÷ &“ ¦ e ” t ë ß –, D h\  v >  > hµ 1 Ï

 )

a l Õ ü t s   ˜ Ðm   f ”  Ò q tí ß –é ß – Z  } “ ¦, ½ ¨1 l x x 9  ’  ø @

$ í

 Òì  r \ " f  Ž 7 £ x`  ¦ Ø  æì  r y  K     H  Òì  r s  e ”  .

‘

: r 8 ú x[ O   7 Hë  H \ " f  H ü <s × ¼  ½ ™× ¼Ì “ s ì ø ͕ ¸^ ‰ ×  æ \ " f• ¸



Œ

™F § 4 s  Z  } “ ¦, : £ ¤f ç & h “   ½ ¨› ¸\  ¦ t “ ¦ e ”   H GaN s  7

á x] X ½ + Ë „  > ´ òõ  à Ô ½ ™t Û ¼'  (heterojunction field-effect transistor, HFET) „  § 4 Û ¼0 Ag A ™ è \  @ /K  l Õ ü t “ ¦  ô

 Ç . Ä º‚  , GaN_  Ó ü t| 9  : £ ¤$ í \  @ /K  ƒ  / å L “ ¦, GaN HFET\  ¦ s 6   x ô  Ç ™ è  ½ ¨1 l x " é ¶ o ü < : £ ¤  © œ& h \  @ /K  ™ è> hô  Ç



. Õ ªo “ ¦ GaN HFET „  § 4 Û ¼0 Ag A ™ è  ½ ¨‰ & ³_  Ù þ ˜d ” “   GaN on Si l Õ ü t, ” ¸Y O o -š ¸á Ô (Normally-Off) l Õ ü t \  @ / ô

 Ç ƒ  ½ ¨   õ \  ¦ ™ è> h “ ¦, „  À Ó Ô  æ õ  (current collapse),

’

 ø @$ í 1 p x \ P  o ‰ & ³ © œ\  @ /K " f• ¸ | 9 “ ¦  Å # Q“ ¦  ô  Ç .

 

 : r \ " f  H GaN HFET „  § 4 Û ¼0 Ag A ™ è  ´ òÖ  ¦& h Ü ¼– Ð

&

h

6   x ÷ &l  0 Aô  Ç ½ ¨1 l x 6 £ x6   x  Òì  r \  @ /ô  Ç ç ß –é ß –ô  Ç ƒ  / å L`  ¦ 

“

¦  u “ ¦  ô  Ç .

II. GaN8 ý ö n Úù m Ç — ¤V R Ë õ m Í HFET  Œ º8 ý X ê sX ì È

GaN“ É r Si @ /q  „  § 4 ì ø ͕ ¸^ ‰ Ó ü t| 9 – Ð" f Ä ºÃ ºô  Ç : £ ¤$ í `  ¦

t “ ¦ e ”  . „  § 4 ì ø ͕ ¸^ ‰ Ó ü t| 9 _  ×  æ כ ¹ô  Ç t ³ ð“   µ 1 Ïo 

_

 Figure of merit (Baliga FOM) “ É r " f– Ð à ÔY Us × ¼š ¸á Ô (trade-off) › ' a > \  e ”   H Û ¼0 Au  “ : r  © œI _  • ¸: Ÿ x ’ < Hz  ´õ  Û

¼0 Au  š ¸á Ô  © œI _  † ½ Ó4 Ÿ ¤ „  · ú š : £ ¤$ í `  ¦ — ¸¿ º ì ø Í% ò   H t 

³

ð  ½ + É Ã º e ”   (Table 1). Baliga FOM\ " f GaN“ É r é ß –

ƒ

  þ j“ ¦_  ( Ÿ í€  Û ¼\  ¦ ˜ Ð# Œï  r  “ ¦ ½ + É Ã º e ”   H X < [5–7], Table 1 \ " f ˜ Ð1 p w GaN“ É r SiC ü < q 5 p w >  z  ´o – B H _  €  • 3 C \  ² ú ˜   H  ½ ™× ¼Ì “ s \  -t ü < Z  }“ É r “ ¦“ : r î ß –& ñ $ í `  ¦  t

“ ¦ e ” Ü ¼€  " f, „    s 1 l x • ¸  H Si õ  q 5 p w ô  Ç Ã ºï  r s l  M : ë

 H s  . s   H „  § 4  x 9 • ¸ €  \ " f Ä ºÃ º >   Œ •6   x # Œ, s 



: r& h Ü ¼– Ð z  ´o – B H ™ è  @ /q  10C  s  © œ_  „  § 4  x 9 • ¸\  ¦ 

| 9

 à º e ”   H X <, s   H 1 l x{ 9 ô  Ç ß ¼l _  ™ è \ " f  8 “ : r $ † ½ Ó s

 ± ú “ É r ™ è , <  ʓ É r † ½ Ó4 Ÿ ¤„  · ú šs   8 Z  }“ É r ™ è \  ¦ ë ß –[ þ t # Q è

­ q à º e ”    H > p w s  .  Ë ¨– Ð ˜ Ѐ   1 l x{ 9 ô  Ç ´ òÖ  ¦ _  ™ è 

\

 ¦  8  Œ •>  ë ß –[ þ t à º• ¸ e ”  . s  Qô  Ç Ó ü t| 9 & h  : £ ¤$ í `  ¦ l ì ø Í Ü

¼– Ð GaN „  § 4 Û ¼0 Ag A ™ è   H “ ¦Ø  ¦§ 4  “ ¦“ : r 1 l x  Œ • r  Si ™ è



 @ /q  Z  }“ É r ´ òÖ  ¦`  ¦ | 9  à º e ” `  ¦  כ s   l @ /\  ¦ “ ¦ e ”

 .

Fig. 4. (Color online) (a) Piezoelectric field of Al

Ga

N/GaN. (b) Conduction band energy dia- gram.

GaN _  ¢ ¸  É r  © œ& h “ É r Û ¼0 Ag A 5 Å q • ¸  Ø Ô   H  כ s 



. GaN“ É r Z  }“ É r „   Ÿ í o5 Å q • ¸ (z  ´o – B H _  €  • 3C ) \  ¦  t

“ ¦ e ” Ü ¼ 9, ™ è – Ð ] j Œ • r  à º ns s  _  Û ¼0 Ag A 5 Å q • ¸

\

 ¦ | 9  à º e ”  . Û ¼0 Ag A 5 Å q • ¸ À 1 Ï " f “ ¦Å Ò  1 l x  Œ •s 

0 p x €  , r Û ¼% 7 ›_  à º1 l x ™ è , : £ ¤ y  “   ü ' ü < H J r '  _

 ß ¼l \  ¦ ×  ¦{ 9  à º e ” # Q" f r Û ¼% 7 ›_  ™ è+ þ A o\  ¦ 0 p x > 

½

+ É Ã º e ”  .

GaN Ó ü t| 9 `  ¦ s 6   x K  „  § 4 Û ¼0 Ag A ™ è \  ¦ ë ß –[ þ t l  0 AK 

"

f  H ¿ º t  ~ ½ ÓZ O s  e ”  . 
  H, z  ´o – B H „  § 4 ì ø ͕ ¸^ ‰

™

è _  ~ ½ Ód ” õ  ° ú  s  à ºf ” + þ A ½ ¨› ¸– Ð ] j Œ •   H  כ s   [8].

GaN à ºf ” + þ A ½ ¨› ¸  H z  ´o – B H  0 > MOSFETs 
 IGBT 1

p

x õ  Ä » ô  Ç ½ ¨› ¸\  ¦  6   x €  " f• ¸, Ó ü t| 9  : £ ¤$ í Ü ¼– Ð “  K 

8 ± ú “ É r “ : r $ † ½ Ó x 9  Z  }“ É r † ½ Ó4 Ÿ ¤„  · ú š`  ¦ % 3 `  ¦ à º e ”   H B Ä º

´

òõ & h “   [ O >  ~ ½ ÓZ O s  . p ² D G _  í ß –     @ /† < Æ\ " f



 H 2DEG\  ¦ à ºf ”  ~ ½ ӆ ¾ ÓÜ ¼– Ð  6   x   H “CAVET” s    H

½

¨› ¸\  ¦ ] jî ß – l • ¸ % i Ü ¼ 9 [9], { 9 ‘ : r _  • ¸כ ¹   H F $ í



© œ (regrowth)  ) a P+ þ A GaN `  ¦ s 6   x ô  Ç Ã ºf ” ½ ¨› ¸\  ¦ ˜ Г ¦

l • ¸ % i   [10]. Õ ª Q
 s  Qô  Ç Ã ºf ” + þ A ™ è   H  Å Ò

± ú

“ É r x 9 • ¸_  ½ ¨› ¸   † < Ê`  ¦ t   H GaN l ó ø Í $ í  © œ l Õ ü t s 

€ 9

כ ¹ô  ÇX <,  f ”  t   H 6“  u  s  © œ_  ] j¾ ¡ §`  ¦ î ß –& ñ & h Ü ¼– Ð Ò q

tí ß –K è ­ q à º e ”   H à ºï  r s   m l  M :ë  H \  í ß –\ O > \ " f { © œ



© œ > hµ 1 Ï l  ~ 1 t  · ú §“ É r  © œ S ! s  .

¿

º   P :  H à º¨ î + þ A ½ ¨› ¸– Ð ] j Œ •   H ~ ½ Ód ” Ü ¼– Ð, GaN_ 

 © œ : £ ¤f ç & h “   ½ ¨› ¸“   2 " é ¶ „    Û ¼ (2-dimensional electron gas, 2DEG) ½ ¨› ¸\  ¦  6   x >   ) a   [11–

14]. 2DEG ½ ¨› ¸  H GaN 0 A\  10 ∼ 30 nm | ¾ Ó_ 

Fig. 5. (Color online) Basic structure of GaN HFET power switching device.

Al

Ga

N (AlGaN) C o # Q (barrier) 8 £ x`  ¦ $ í  © œ # Œ s

7 á x] X ½ + Ë (heterostructure) `  ¦ ë ß –[ þ t M :, Ñ ü t  s _  > €  

\

 Z  }“ É r 0 l x • ¸_  „   8 £ x s  + þ A$ í s  ÷ &  H  כ `  ¦ ´ ú ˜ô  Ç . Al- GaN/GaN s 7 á x] X ½ + Ë ½ ¨› ¸_  > €  \   H Fig. 4(a) ü < ° ú  s  GaN õ  AlGaN_   µ 1 Ï ì  rF G (spontaneous polarization) õ

 s 7 á x] X ½ + Ë\  _ ô  Ç 6 £ x§ 4  (strain) Ü ¼– Ð “  ô  Ç · ú š„   ´ òõ  (piezoelectric effect)  1 l x r \  ” > r F ô  Ç . GaN0 A\  Al- GaN s  $ í  © œ H † d Ü ¼– Ð “  K  ~ à ΍  H “   © œ 6 £ x§ 4  (tensile strain)

“ É

r · ú š„   ì  rF G P

`  ¦ + þ A$ í >  ÷ &“ ¦, s   H í  H  µ 1 Ï ì  rF G (net spontaneous polarization) P

\   8K 4 R" f „    Ÿ í J $

™[ >  Ä ºÓ ü t (potential well) `  ¦ + þ A$ í “ ¦, > €  \  2DEG

\

 ¦ Ä »• ¸ >   ) a  . s \  ¦  ½ ™× ¼  s # QÕ ªÏ þ ›Ü ¼– Ð ³ ð‰ & ³ €   Fig. 4(b) ü < ° ú   . s X O >  + þ A$ í  ) a 2DEG  H > €     H ~ ½ Ó\ ë ß – Z

 }“ É r 0 l x • ¸– Ð · û ª>  ” > r F  # Œ à ºf ”  ~ ½ ӆ ¾ Ó_  x 9 • ¸ Z  }6 £ § \ 

•

¸ Ô  ¦ ½ ¨ “ ¦ ü @Â Ò / B N& ñ \  _ ô  Ç 2DEG 0 l x • ¸ › ¸] X s  ~ 1  .

M

:ë  H \  s \  ¦ s 6   x K  à º¨ î ~ ½ ӆ ¾ ÓÜ ¼– Ð ´ ú §“ É r „  À Ó\  ¦ ] j# Q 



 H ™ è \  ¦ ë ß –[ þ t à º e ” >  ÷ &  H  כ s  .

Figure 5  H AlGaN/GaN s 7 á x] X ½ + Ë`  ¦ s 6   x ô  Ç à Ô ½ ™t Û ¼ '

“   GaN HFET_  l ‘ : r& h “   ½ ¨› ¸\  ¦
  · p  כ s  . ™ è Û

¼, × ¼Y U“  , > s à Ô „  F G s  — ¸¿ º C o # Q 8 £ x 0 A\  0 Au  

#

Œ e ”   H  © œI \ " f, AlGaN C o # Q 8 £ x õ  GaN G V ,  8 £ x > 

€

 \   ƒ  & h Ü ¼– Ð + þ A$ í  ) a 2DEG\  ¦ > s à Ô „  · ú šÜ ¼– Ð › ¸] X 

# Œ à Ô ½ ™t Û ¼'  1 l x  Œ •`  ¦ >   ) a  . GaN HFET  H  Ö ¸$ í



o % ò % i  (active region) s  $ í  © œ  ) a ~ à Ì} Œ •_  þ j © œÂ Ò\  e ” l  M

:ë  H \ , s 7 á x l ó ø Í`  ¦  6   x  8 • ¸  © œÂ Ò GaN_  a % ~“ É r   

&

ñ $ í s  S X ‰ ˜ Ð÷ &€   ™ è  1 l x  Œ •\  ë  H ] j \ O  . ¢ ¸ô  Ç, GaN HFET  H „    s 1 l x • ¸\  e ” # Q" f GaN Z O ß ¼\  q K  Z  }“ É r :

£ ¤$ í `  ¦ ˜ Ðs l  M :ë  H \  (Table 1),  8 Z  }“ É r „  § 4  x 9 • ¸_  ½ ¨

‰

&

³s  0 p x  .

III. GaN HFET  ¹ ÅI í Ä­ Ž üÈ S Ë } º   Œ”  ô8 ý {

¿ ?Å k È M ø n Ú

· ú

¡\ " f ƒ  / å LÙ þ ¡1 p w s , GaN HFET „  § 4 Û ¼0 Ag A ™ è   H

Si õ  q “ § # Œ  © œ@ /& h Ü ¼– Ð ± ú “ É r “ : r $ † ½ Óõ  “ ¦Å Ò  1 l x  Œ •

Table 2. Properties of GaN and substrate materials [23].

Material Lattice constant (A) Thermal expansion Lattice mismatch Thermal mismatch

(a) (×10

/K) GaN/Sub.(%) GaN/Sub.(%)

GaN 3.19 5.59 - -

Si(111) 3.84 2.59 -16.9 54

4H-SiC 3.07 4.2 3.5 25

Al

O

2.75 7.5 16 -34

s

 0 p x “ ¦ Z  }“ É r † ½ Ó4 Ÿ ¤„  · ú š : £ ¤$ í `  ¦ t “ ¦ e ”  . t ë ß – z 

´] j „  § 4 „   ì  r  \ " f z  ´6   x  o l  0 AK " f  H q 6   x] X y Œ ™, Z

 }“ É r î ß –& ñ $ í õ  ’  ø @$ í S X ‰ ˜ Ð Ä º‚  s  . s \  ¦ 0 AK  ì ø Í× ¼ r

 “ ¦ 9÷ &# Q  ½ + É Y >  t  Ù þ ˜d ” õ ] j[ þ t`  ¦ l Õ ü t “ ¦  ô  Ç



.

1. GaN on Si

GaN   & ñ | 9  ~ à Ì} Œ •`  ¦ Z  }“ É r P . o w – Ð $ í  © œ  9€   GaN é

ß –  & ñ l ó ø Í`  ¦  6   x   H  כ s   © œ a % ~“ É r ~ ½ ÓZ O s t ë ß –, · ú ¡

\

" f ƒ  / å LÙ þ ¡1 p w GaN é ß –  & ñ l ó ø Í ] j Œ • l Õ ü t _  $ í ¸ n q • ¸ ü

< q 6   x 8 £ ¤€  \ " f  f ”   6   x l  # Q§ >  . M :ë  H \  GaN s

       É r l ó ø Í`  ¦  6   x # Œ GaN ~ à Ì} Œ •`  ¦ $ í  © œ   H  כ

\

 @ /ô  Ç ƒ  ½ ¨ ´ ú §“ É r Õ ªÒ  ¨ \  _ K  ”  ' Ÿ ÷ &% 3 Ü ¼ 9, : £ ¤ y  MOCVD\  ¦ s 6   x # Œ GaN`  ¦ SiC, Al

O

, Si l ó ø Í\  $ í



© œ   H  כ \  @ /ô  Ç ´ ú §“ É r   õ [ þ t s  ˜ Г ¦÷ &% 3   [15–22].

s

 [ j l ó ø Íõ  GaN_  Ó ü t| 9  : £ ¤$ í `  ¦ & ñ o  €   Table 2ü <

° ú

   [23].      © œÃ º x 9  \ P Ø Ÿ ‚ ½ Ó > à º 1 p x`  ¦ “ ¦ 9Ù þ ¡`  ¦ M : [

j l ó ø Í ×  æ SiC   © œ & h ½ + Ë t ë ß –, q 6   x s  Z  }    H é ß –& h  s

 e ”  . Al

O

  H [ j l ó ø Í ×  æ \   © œ Á ºè ß – “ ¦, È Òõ Ö  ¦ s  Z

 }“ É r : £ ¤f ç s  e ” # Q" f, GaN LED\ " f ´ ú §s   6   x ÷ &  H l ó ø Í s

 . t ë ß –, \ P  „  • ¸Ö  ¦ (∼30 Wm

K

) [24] s  [ j l  ó

ø Í ×  æ  © œ a % ~ t  · ú § " f 1 l x  Œ • ×  æ µ 1 Ï\ P s  ´ ú §“ É r  0 >™ è 

\

 & h 6   x l \   H Á ºo  e ”  .   ² D G,     â Ô q t§ 4  x 9  \ P 

~

½ ÓØ  ¦`  ¦ “ ¦ 9Ù þ ¡`  ¦ M : Si l ó ø Ís   © œ & h ½ + Ë   ^  ¦ à º e ”  Ü

¼ 9,   ² D G GaN`  ¦ Si l ó ø Í 0 A\  Z  }“ É r P . o w – Ð $ í  © œ   H GaN on Si $ í  © œ l Õ ü t > hµ 1 Ïs  B Ä º ×  æ כ ¹ >   ) a  .

GaN on Si $ í  © œ l Õ ü t _   © œ • ¸„  & h “    Òì  r“ É r,    



© œÃ º_  s ü < \ P Ø Ÿ ‚ ½ Ó > à º_  s \  ¦ F G4 Ÿ ¤   H  כ s  .

Si“ É r GaN õ _       © œÃ º s  €  • 17%, \ P Ø Ÿ ‚ ½ Ó > à º_ 

s   H €  • 54% s  . s  Qô  Ç s \  ¦ F G4 Ÿ ¤ l  0 Aô  Ç ~ ½ ÓZ O  Ü

¼– Ѝ  H Si l ó ø Íõ  GaN ~ à Ì} Œ •  s \   € ª œô  Ç ! Q(  8 £ x`  ¦ ¶ ú š { 9

   H l Õ ü t s  e ”   [20–22]. ! Q(  8 £ x“ É r Ga õ  Si_  ë s qà Ô- Ñ þ

˜ (melt-back) ‰ & ³ © œ`  ¦ % 3 ] j “ ¦ œ íl  $ í  © œ8 £ x _  Ò q t$ í `  ¦ Ä

»• ¸   H AlN nucleation 8 £ x, l ó ø Í_       © œÃ º s \   

 É

r 6 £ x§ 4 `  ¦ í  H & h Ü ¼– Ð ¢ - a  or & Šҍ  H é ß –> & h  Al

Ga

N

Fig. 6. (Color online) (a) Schematic structure of GaN on Si with buffer layer. Cross-sectional TEM image of GaN on a (b) graded AlGaN buffer [21] and (c) superlattices buffer [22].

8

£ x, % i r  6 £ x§ 4 `  ¦ ¢ - a  or v €  " f l ó ø Í\ " f Ò'  `  ¦  š ¸  H

 

† < Ê`  ¦ } Œ • Šҍ  H œ í   8 £ x 1 p x s  e ”   (Fig. 6) [21,22]. & h  ] X

ô  Ç ! Q(  8 £ x _  n  “  “ É r { 9  & h Ü ¼– Ѝ  H Si õ  GaN_    



  © œÃ º s \  ¦ é ß –> & h Ü ¼– Ð K ™ è   H % i ½ + É`  ¦ t ë ß –, Õ ª ü @\ • ¸ þ j“ ¦ 1000• ¸\  ¹ ¢ ¤ ~ Ã Ì   H MOCVD $ í  © œ › ¸| \ " f

\ P

Ø Ÿ ‚ ½ Ó > à º_  s \  _ ô  Ç J ?s (  … ô a`  ¦ ] j# Q # Œ, þ j7 á x

&

h Ü ¼– Ð $ í  © œ  ) a J ?s (   © œ“ : r   H ~ ½ Ó\ " f J ?s (  … ô a x 9  ß ¼ Ï þ

˜s  µ 1 ÏÒ q t÷ &t  · ú §>    H 1 p x GaN on Si l Õ ü t _  Ù þ ˜d ” s  

½

+ É Ã º e ”  . (Figure 7“ É r GaN on Si J ?s (  … ô a ~ ½ ӆ ¾ Óõ  Õ ª M

:_  6 £ x§ 4   © œI \  ¦ ç ß –| Ä Ìy 
  · p  כ s  .) Õ ªo  # Œ GaN

Fig. 7. (Color online) Stress in GaN layer in GaN on Si wafer with (a) Concave and (b) Convex bowing.



© œ6   x  o\  ¦ 0 AK  > hµ 1 Ï`  ¦ “ ¦ e ”   H y Œ •  r [ þ t“ É r ! Q(  l Õ ü t

>

hµ 1 Ï\  ´ ú §“ É r ” ¸§ 4 `  ¦ [ þ t s “ ¦ e ” “ ¦, Õ ª[ þ t ë ß –_  n  “  `  ¦ S X ‰

˜

Ð l  0 AK  ´ ú §“ É r : £ ¤ ) ‡\  ¦ ] jØ  ¦ “ ¦ e ”  . ‰ & ³F  GaN on Si ! Q(  l Õ ü t _  > hµ 1 Ï 1 l x † ¾ ӓ É r l ” > r _  é ß –> & h  Al

Ga

N

½

¨› ¸\ " f, œ í   8 £ x é ß –{ 9  <  ʓ É r é ß –> & h  Al

Ga

N õ  œ í

 

 8 £ x _  › ¸½ + Ë 1 p x, œ í   8 £ x`  ¦ s 6   x ô  Ç ½ ¨› ¸ 0 AŠҖ Ð    o

“ ¦ e ”  . Õ ªo “ ¦ œ í   8 £ x ½ ¨› ¸ ¢ ¸ô  Ç 
_  Å Òl  (Å Ò

–

Ð GaN/AlN) é ß –í  H ì ø Í4 Ÿ ¤ ÷ &  H + þ AI \ " f GaN/AlGaN, AlGaN/AlN, AlGaN/AlGaN 1 p x Ü ¼– Ð › ¸$ í x 9  ¿ ºa   

 É

r Y >  > h_  Å Òl \  ¦ ™ D ¥ ½ + Ë # Œ æ ¼  H + þ AI – Ð µ 1 τ   “ ¦ e ” 



 H X <, s   H      © œÃ º s \  ¦ ˜ Ð  ´ òõ & h Ü ¼– Ð ¢ - a  o “ ¦



© œÂ Ò ½ ¨› ¸\    É r ß ¼Ï þ ˜ x 9  … ô a µ 1 ÏÒ q t`  ¦ › ¸] X  l  0 Aô  Ç  כ Ü

¼– Ð s K ½ + É Ã º e ”  .

2. 4 T ² Ž8 ý x ¢/ n ÇP -~ ¾³ Ž (Normally-Off)  ŒŽ Ò Þ

„

 § 4 Û ¼0 Ag A ™ è  6 £ x6   x \  e ” # Q" f î ß –„  ô  Ç 1 l x  Œ •õ  é ß –í  H ô

 Ç × ¼ s Ú Ô ½ ¨1 l x`  ¦ 0 AK  € 9 כ ¹ô  Ç : £ ¤$ í “ É r „  " é ¶ s  é ß –

÷ &% 3 `  ¦ M : # Q‹ "  „  À ӕ ¸ â ìØ Ôt  · ú §     H ” ¸Y O o - š ¸ á

Ô (normally-off: V

> 0) : £ ¤$ í s  . Õ ª Q
 HFET ½ ¨

›

¸_  GaN™ è   H ì  rF G Ü ¼– Ð “  K  s p  Ø  æì  r y  Z  }“ É r H  o

# Q 0 l x • ¸ü < s 1 l x • ¸\  ¦ ”   2DEG G V , 8 £ x _  ” ¸Y O o -“ : r (normally-on) ™ è s  . s \  ¦ y © œ] j& h Ü ¼– Ð ” ¸Y O o -š ¸á Ô

Fig. 8. (Color online) Recessed gate structure for normally-off. (a) Basic recessed gate structure (b) Re- cessed MIS gate structure (c) Recessed MIS gate struc- ture with multi-cap layer.

½

¨1 l x >  1 l x  Œ •: £ ¤$ í _     o\  ¦ Šҍ  H  כ “ É r B Ä º # Q 9î  r l  Õ

ü

t s  . z  ´o – B H l ì ø Í à Ô ½ ™t Û ¼' “    â Ä º • ¸i ç l Õ ü t`  ¦ s  6

x # Œ ë  H) 3 „  · ú š (threshold voltage: V

) ] j# Q Ã º Z 4 ô

 Ç ì ø ̀  \ , GaN l ì ø Í à Ô ½ ™t Û ¼' “    â Ä º a % ~“ É r P+ þ A 8 £ x

`

 ¦  Ä » F – Ð + þ A$ í   H  כ s  # Q 90 > MOSFET õ  ° ú  “ É r

½

¨› ¸\  ¦ ½ ¨‰ & ³   H  כ s  B Ä º # Q§ >  . @ /’   s \  ¦ @ /6 £ x l  0

AK  HFET ½ ¨› ¸\ " f > s à Ô % ò % i _   ½ ™× ¼  ' pt m # Qa A`  ¦ s

6   x  
 2DEG G V , 8 £ x _  { 9  Ò\  ¦  õ  # Œ é ß –{ 9  } 9 Ü ¼

–

Ð ” ¸Y O o -š ¸á Ô 1 l x  Œ •`  ¦ Ä »• ¸   H  € ª œô  Ç l Õ ü t[ þ t s  ˜ Г ¦

÷

&“ ¦ e ”   [25–31].

{ 9

ì ø Í& h Ü ¼– Ð · ú ˜ 9”   ½ ¨› ¸  H Fig. 8(a) ü < ° ú  s  > s à Ô

„

 F G  A \ ë ß – AlGaN C o # Q8 £ x`  ¦ ‚  × þ ˜& h Ü ¼– Ð d ” y Œ • 

#

Œ 2DEG G V , _  0 l x • ¸\  ¦ ± ú Æ ҍ  H o [ jÛ ¼-> s à Ô (recess- gate) ½ ¨› ¸s   [25]. d ” y Œ • U  ·s \     ë  H) 3 „  · ú š`  ¦ ] j

#

Q½ + É Ã º e ” Ü ¼
 1 V s ? /_  ± ú “ É r ë  H) 3  „  · ú š, > s à Ô ¾ º [ O

„  À Ó x 9  ± ú “ É r „  À Ó x 9 • ¸ : £ ¤$ í `  ¦ ˜ Ðs   H é ß –& h [ þ t s  e ” 



. s \  ¦ > h‚   l  0 AK  Fig. 8(b)ü < ° ú  s  MIS (Metal- Insulator-Semiconductor) > s à Ô ½ ¨› ¸\  ¦ t €  " f  € ª œ ô

 Ç > s à Ô ] X ƒ  } Œ • (SiN

[26], ALD-Al

O

[27]) `  ¦ r • ¸ 


 Fig. 8(c)ü < ° ú  s  AlGaN C o # Q 8 £ x  © œÂ Ò\  n-GaN/

Fig. 9. (Color online) Band-modulated structure for normally-off. (a) Fluoride-based plasma treatment (b) GIT structure.

i-AlN/ n-GaN Y O w  Ö “ s8 £ x (capping layer) `  ¦ & h 6   x [28] 

#

Œ Z  }“ É r ë  H) 3 „  · ú šõ  Z  }“ É r „  À Ó x 9 • ¸\  ¦ Ä »t ½ + É Ã º e ”  “ ¦ Å

ҁ © œ   H l Õ ü t[ þ t s  ˜ Г ¦÷ &% 3  .

Figure 9(a) % ƒ! 3  > s à Ô „  F G  A \  ‚  × þ ˜& h Ü ¼– Ð CF4 e

 ¦  Ý ¼  à Ôo à Ԁ  à Ô % ƒo \  ¦ ”  ' Ÿ  # Œ F-s “ : r \  _ ô  Ç  ½ ™

×

¼  ' pt m # Qa AÜ ¼– Ð 2DEG G V ,  { 9  Ò\  ¦ / B N€ 9  (depletion)-

—

¸× ¼– Ð   ¨ 8 Š # Œ ” ¸Y O o -š ¸á Ô 1 l x  Œ •`  ¦ ½ ¨‰ & ³ l • ¸ ô  Ç  [29]. ¢ ¸  H Fig. 9(b) \ " f ˜ Ðs 1 p w s , P+ þ A GaN \ x 8 £ x`  ¦

>

s à Ô „  F G  A \  ½ ¨‰ & ³   H GIT (Gate Injection Tran- sistor) ½ ¨› ¸ l Õ ü t`  ¦  
™ è_ ” \ " f > hµ 1 Ï # Œ ‰ & ³F  ” ¸Y O  o

-š ¸á Ô GaN HFET „  § 4 Û ¼0 Ag A ™ è [ þ t`  ¦ Ò q tí ß – “ ¦ e ” 



 [30].

· ú

¡\ " f ™ è> hô  Ç o [ jÛ ¼ > s à Ô ½ ¨› ¸ü < P+ þ A > s à Ô ½ ¨

›

¸\  ¦   ½ + Ëô  Ç l Õ ü t • ¸ e ”  . Figure 10% ƒ! 3  P+ þ A ì ø ͕ ¸^ ‰ $ í

| 9

`  ¦ t   H NiO

\  ¦ ‚  × þ ˜& h Ü ¼– Ð d ” y Œ •  ) a > s à Ô „  F G   A

\  + þ A$ í “ ¦ 1 l x r \  > s à Ô € 9 × ¼e  ¦ Y Us à Ô (field-plate)

\

 ¦ ½ ¨‰ & ³½ + É Ã º e ”   H l Õ ü t`  ¦ 2009¸   í ß –  p„  l \ " f µ 1 ϳ ðô  Ç



 e ”   [31].

t ë ß –, s X O >  } 9  Y U6 \ š\ " f ” ¸Y O o -š ¸á Ô 1 l x  Œ •`  ¦ ½ ¨‰ & ³

l  0 Aô  Ç l Õ ü t[ þ t _   © œ# 4 “ É r # Œ„  y  Z  } “ ¦ K   K   ½ + É s  Ã

»[ þ t s  ´ ú § . GaN HFET ™ è _  } 9  Y U6 \ š\ " f ” ¸Y O o -š ¸ á

Ô 1 l x  Œ •`  ¦ ½ ¨‰ & ³ l  0 Aô  Ç l Õ ü t[ þ t“ É r @ / Òì  r ë  H) 3 „  · ú šs  2 V s  © œ`  ¦  Å l t  3 l w   H ô  Ç> \  ¦ ° ú “ ¦ e ”   ( z  ´ 1 V s 



© œ`  ¦ ½ ¨1 l x r v   H  כ • ¸ B Ä º j Ë µ[ þ t  ). z  ´] j 6 £ x6   x \ " f  H 3 V s  © œ_  ë  H) 3 „  · ú š`  ¦ כ ¹½ ¨ “ ¦ e ” Ü ¼ 9, d ” t # Q „  l   1

l

x  “  ! Q' 6   x \   H 5 V s  © œ_  ë  H) 3 „  · ú š`  ¦ כ ¹½ ¨ l  M :

Fig. 10. (Color online) Recessed gate structure with p- type NiO

.

Fig. 11. (Color online) Cascode structure.

ë

 H \  } 9  Y U6 \ š\ " f ” ¸Y O o -š ¸á Ô 1 l x  Œ •`  ¦ ½ ¨‰ & ³ % i    8



• ¸ Æ Ò& h “   > s à Ô × ¼ s ! Q € 9 כ ¹  
 “ ¦“ : r \ " f _

 î ß –& ñ & h “   Û ¼0 Ag A : £ ¤$ í `  ¦ l @ / l  j Ë µ[ þ t  . >   ” ¸ Y O

o -“ : r HFET ™ è _   © œ& h [ þ t ×  æ { 9 Â Ò (± ú “ É r / B N& ñ l Õ ü t



© œ# 4 , Z  }“ É r „  À Ó x 9 • ¸, ± ú “ É r “ : r- $ † ½ Ó) [ þ t`  ¦ Ÿ íl K   ½ + É Ã

º• ¸ e ”  .

Õ

ªA " f @ / Òì  r _  GaN HFET ™ è  > hµ 1 Ï`  ¦ ”  ' Ÿ  “ ¦ e ”

  H l \ O [ þ t (IR, Transphorm, EPC, GaN system 1 p x)

“

É r Fig. 11 õ  ° ú  s  ” ¸Y O o -“ : r GaN HFET ™ è \  ¦ z  ´o 

–

B H MOSFET} 9 õ  H Û ¼ ï× ¼ (cascode)  { 9 Ü ¼– Ð | 9 & h  o

# Œ J v t  Y U6 \ š\ " f ” ¸Y O o -š ¸á Ô 1 l x  Œ •s  0 p x ô  Ç ] j¾ ¡ §

`

 ¦ > hµ 1 Ï “ ¦ e ”   [32]. H Û ¼ ï× ¼ ~ ½ Ód ” “ É r l ‘ : r& h Ü ¼– Ð ” ¸ Y O

o -“ : r “ ¦? /· ú š GaN HFET ™ è ü < ” ¸Y O o -š ¸á Ô $ ? /

· ú

š Si MOSFET ™ è _  f ” § > = ƒ    “  X <, ” ¸Y O o -“ : r GaN

™

è _  > s à Ô\  ¦ Si MOSFET ™ è _  ™ èÛ ¼\  ƒ     €   Si MOSFET _  > s à Ԗ Ð ¿ º ™ è  — ¸¿ º\  ¦ ] j# Q½ + É Ã º e ” 

>

  ) a  . 7 £ ¤, GaN _  { 9  © œ\ " f ˜ Ѐ  , > s à Ô „  · ú š“ É r  ë

ß –y  e ” “ ¦ ™ èÛ ¼ „  · ú š (Si MOSFET_  × ¼Y U“   „  · ú š) s  Si MOSFET _  > s à Ô 1 l x  Œ •\        €  " f à Ô ½ ™t Û ¼ '

 1 l x  Œ •`  ¦   H  כ s  . H Û ¼ ï× ¼ ~ ½ Ód ” “ É r ” ¸Y O o -“ : r GaN

™

è _   6   x Ü ¼– Ð } 9 / B N& ñ _   Ò{ Œ ™“ É r ×  ¦ t ë ß –, @ /’   2> h s 



© œ_  à Ô ½ ™t Û ¼'  € 9 כ ¹ l  M :ë  H \  J v t  # Q§ > “ ¦, GaN HFET ™ è _  Z  }“ É r Û ¼0 Ag A Å Ò à º : £ ¤$ í x 9  Ä ºÃ ºô  Ç

“

: r • ¸: £ ¤$ í \  ] jô  Ç`  ¦ ~ à ΍  H  Òì  r s  e ”  .

GaN HFET ™ è   H “ : r- š ¸á Ô Û ¼0 Au  1 l x  Œ • r  „  À Ӂ   o 5

Å

q • ¸ di/dt B Ä º Ä ºÃ º l  M :ë  H \  l Ò q t “   ü ‡  Û ¼ü < ü @

Fig. 12. (Color online) Gate operation with isolated gate driver and kelvin source contact.

Â

Ò ” ¸s Ý ¼\  B Ä º   y Œ ™ # Œ > s à Ô ½ ¨1 l x \   H ’  ×  æ ô  Ç ] X 



 H s  € 9 כ ¹  . ë ß –€  • GaN HFET ™ è \  ¦ z  ´o – B H _   â Ä º ü

< 1 l x{ 9 ô  Ç > s à Ô × ¼ s ! Q ½ ¨$ í Ü ¼– Ð ½ ¨1 l x % i `  ¦  â Ä º,

™

èÛ ¼ é ß –_  l Ò q t “   ü ‡  Û ¼– Ð “  ô  Ç > s à Ô „  · ú š_  š ¸! Qà » h A x 9  µ 1 ϔ   ‰ & ³ © œõ  ° ú  “ É r Ô  ¦ î ß –& ñ ô  Ç > s à Ô ½ ¨1 l x s  ~ 1 >    l

  ) a   [33]. ¢ ¸ô  Ç di/dt l Ò q t “   ü ‡  Û ¼ ° ú כ\     s p 

 

& ñ ÷ &# Q ™ è _  Û ¼0 Au  5 Å q • ¸ ] j€  •`  ¦ ~ à Î>   ) a  .   ² D G s

   ] X   H Ü ¼– Ð GaN HFET ™ è _   © œ& h [ þ t s  š ¸y  9 K 

 ÷ &# Q z  ´o – B H „  § 4 ™ è ˜ Ð  Z  }“ É r Û ¼0 Ag A ’ < Hz  ´õ  EMI,

± ú

“ É r ´ òÖ  ¦ õ  Å Ò à º : £ ¤$ í `  ¦ 4 R`  ¦ à º e ”  .



 " f GaN HFET ™ è _   © œ& h [ þ t`  ¦ þ j@ /ô  Ç µ 1 Ï6 f  l

 0 AK " f  H Fig. 12 ü < ° ú  s  Ö 0 q‘   ƒ     ~ ½ Ód ”  (kelvin con- nection method) `  ¦ s 6   x K  > s à Ô × ¼ s c ç À Òá Ô\  ™ è Û

¼ é ß –_  l Ò q t “   ü ‡  Û ¼\  ¦ Ÿ í† < Ê t  · ú §• ¸2 Ÿ ¤  – Ð ™ èÛ ¼\  ¦ x

× ¼Ñ þ ˜ ~ à Î  ] X ƒ   ) a > s à Ô × ¼ s ! Q\  ƒ       H ½ ¨› ¸

 ‚    ñ  ) a  . Ö 0 q‘   ƒ     ~ ½ Ód ” “ É r 4 á ÔÀ ÒÚ Ô 8 £ ¤& ñ ~ ½ Ód ” õ  ° ú  

“ É

r > h¥ Æ Ü ¼– Ð, l Ò q t$ í ì  r`  ¦ ] jü @ô  Ç ™ è _  z  ´] j ™ èÛ ¼ „  · ú š

`

 ¦ x × ¼Ñ þ ˜ ~ à Îl  0 AK  „  · ú š 8 £ ¤& ñ 6   x ™ èÛ ¼ é ß – \  ¦ Æ Ò # Œ

ƒ

      H ~ ½ Ód ” s  . Æ Ò– Ð, l Ò q t “   ü ‡  Û ¼\  ¦ ×  ¦ s l  0 A K

 0 p x ô  Ç > s à Ô × ¼ s ! Q ™ è _  > s à Ô é ß –\  þ j@ / ô

 Ç  s  ½ ¨$ í   H  כ s  ×  æ כ ¹  9, J v t  Y U6 \ š\ " f o 

×

¼‚  `  ¦  ú ª>  ½ ¨$ í  
 ] j    H ½ ¨› ¸ > hµ 1 ϕ ¸ € 9 כ ¹ 



.

3.  ¹ Œ ½ ÷ s Þ1 á (Current Collapse) ”  ôV ê s

GaN HFET ™ è _  ¢ ¸ 
_  K   K     H õ ] j  H

„

 À Ó Ô  æ õ  (current collapse)   Ô  ¦ o   H ‰ & ³ © œs  . s   H

%

3 x 9 y  $ † ½ Ó 7 £ x  “ ¦   H  כ s   8 & ñ S X ‰ ô  Ç ³ ð‰ & ³“  X <, Û ¼ 0

Ag A 1 l x  Œ • ×  æ ™ è _  $ † ½ Ós  7 £ x    H ‰ & ³ © œ`  ¦ { 9 ( Ž   H  .

1 l

x  Œ • ×  æ $ † ½ Ós  7 £ x  €   ™ è \    o   H Â Ò  7 £ x  

#

Œ, \ P s   8 µ 1 ÏÒ q t “ ¦ s  כ s   r  $ † ½ Ó 7 £ x – Ð s # Qt 



 H  t w Ú Ô x × ¼Ñ þ ˜ ‰ & ³ © œs  µ 1 ÏÒ q t l  M :ë  H \  d ” ô  Ç  â Ä º



 H ™ è   õ  t  s \  ¦ à º e ”  . M :ë  H \ , „  À Ó Ô  æ õ  ‰ & ³ © œ

Fig. 13. (Color online) Deposition of passivaiton layer.

“

É r GaN HFET ™ è _  “ ¦´ òÖ  ¦  o\  ¦ 0 AK  ì ø Í× ¼r  K   ÷ &

#

Q    H ë  H ] js  9, GaN HFET ™ è \ " f  © œ  Ö ¸ µ 1 Ï 

>

 ƒ  ½ ¨÷ &“ ¦ e ”   H ì  r   ×  æ _  
s   [12,34–43].

„

 À Ó Ô  æ õ  ‰ & ³ © œ“ É r ß ¼>  % ò ½ ¨& h “   $ † ½ Ó 7 £ x ü < í  H ç ß –& h 

“

  $ † ½ Ó 7 £ x – Ð
* $”   . % ò ½ ¨& h “   $ † ½ Ó 7 £ x   H ™ è  ½ ¨

›

¸\  Ó ü t o & h “   ’ < H  © œ x 9     o K 4 R" f  r4 Ÿ ¤ s  ÷ &t  · ú §



 H  â Ä º\  ¦ t g A  9, ’  ø @$ í › ' a& h \ " f  À ҍ  H ‰ & ³ © œs  .

í

 H ç ß –& h “   $ † ½ Ó 7 £ x   H Ó ü t o & h “   ’ < H  © œ \ O s  1 l x  Œ • ×  æ ™ è 

\

 “  ÷ &  H „  l  © œ_     o\  _ K  í  H ç ß –& h Ü ¼– Ð ™ è _ 

$

† ½ Ós  7 £ x    H ‰ & ³ © œ`  ¦ ´ ú ˜ô  Ç . 7 £ x   ) a $ † ½ ӓ É r r ç ß –s  t


€   " é ¶ A _  ° ú כÜ ¼– Ð [  t  š ¸  H X <, Õ ª r  © œÃ º  H à º us Â Ò '

 à ºÑ þ ˜ œ í  t   € ª œ  . GaN HFET\ " f ŠҖ Ð ƒ  / å L 



 H „  À Ó Ô  æ õ  ‰ & ³ © œ“ É r @ / Òì  r í  H ç ß –& h “   $ † ½ Ó 7 £ x  ‰ & ³ © œ`  ¦ E

l   9, s  Qô  Ç í  H ç ß –& h “   $ † ½ Ó 7 £ x  ‰ & ³ © œ“ É r @ / Òì  r   

†

< Ê (defect) \  _ ô  Ç „   _  à Ôê Á œ (trap) M :ë  H \  _ K  { 9 

#

Qè ß – “ ¦ ˜ Г ¦÷ &“ ¦ e ”   [12,34–40].

GaN HFET  H „  À Ó â ìØ Ô  H  Ö ¸$ í  o % ò % i s  10 ∼ 30 nm _  AlGaN C o # Q8 £ x  – Ð x 9 \  + þ A$ í ÷ &l  M :ë  H \  Al- GaN ³ ð€  õ  > €  _   © œI  B Ä º ×  æ כ ¹  9, ˜ Ð: Ÿ x ³ ð€  \  Î ‰

t/ å Ja A   ½ + Ë (dangling bond) s 
 l   Ô  ¦í  HÓ ü t s  + þ A$ í

÷

&t  · ú §• ¸2 Ÿ ¤ ˜ Р ñ} Œ •`  ¦ $ í  © œ   H  כ s  { 9 ì ø Í& h s  . ˜ Р ñ }

Œ

• $ í  © œ_   © œ a % ~“ É r ~ ½ ÓZ O “ É r í ß – o} Œ • + þ A$ í `  ¦   H  כ s 
, GaN \ " f  H í ß – o} Œ • + þ A$ í / B N& ñ `  ¦  6   x l  j Ë µ[ þ t l  M :ë  H \  7

£

x ‚ Ã Ì  © œq – Ð s 7 á x _  ˜ Р ñ} Œ •`  ¦ $ í  © œ >   ) a   (Fig. 13).

˜

Ð: Ÿ x PECVD\  ¦ s 6   x # Œ q   & ñ | 9 _  SiO

 SiN

\  ¦ $ í



© œ   H  â Ä º ´ ú §“ É r X <,  â Ä º\    " f  H ALD\  ¦ s 6   x 

#

ΠAlO

\  ¦ $ í  © œ l • ¸ ô  Ç . s  õ & ñ \ " f AlGaNõ  ˜ Р ñ }

Œ

•  s  > €  \  Î ‰ t/ å Ja A   ½ + Ës  ¢ - a„  y    ½ + Ë t  · ú § 
, /

B N& ñ õ & ñ ×  æ _ • ¸u  · ú §>    † < Ês  Æ Ò– Ð Ò q tl   H  â Ä º s 

Qô  Ç / B M \  „    à Ôê Á œs   ) a   [12,34–36]. ¢ ¸ô  Ç, GaNõ  Si _       © œÃ º s \  _ K  µ 1 ÏÒ q t   H    _  n Û ¼– ÐH  s

‚   (dislocation) % i r  Ô  ¦¢ - a„  ô  Ç   ½ + Ë  © œI s l  M :ë  H \ 

„

   à Ôê Á œ | ¨ c à º e ” Ü ¼ 9, $ † ½ Ó`  ¦ 7 £ x r v l  0 AK  _ 

•

¸& h Ü ¼– Ð ¶ ú š{ 9    H • ¸i ç  ) a ! Q(  8 £ x • ¸ „    à Ôê Á œ_  " é ¶ “   s

 | ¨ c à º e ”   [37–39].

 

† < Ê\  _ ô  Ç „   _  à Ôê Á œs  GaN HFET ™ è _  $ † ½ Ó

`

 ¦ 7 £ x r v   H ~ ½ ÓZ O `  ¦ & ñ o  €    6 £ § õ  ° ú   . ' Í   P :,

 

† < Ês  ³ ð€  \  + þ A$ í s   ) a  â Ä º, š ¸á Ô  © œI \ " f > s à Ô

Fig. 14. (Color online) Electron trapping at (a) surface, (b) under the gate, and (c) GaN bulk.

_

  © œ@ / „  0 A ± ú  & ’ `  ¦ M :, > s à Ô\ " f  4 R
“ : r „  



[ þ t s  à Ôê Á œ÷ &# Q ³ ð€  \  6 £ §ï  r 0 A_   © œ > s à Ô\  ¦ + þ A$ í

>   ) a   (Fig. 14(a)). s   H  A _  2DEG\  / B N€ 9  % ò

% i

`  ¦ + þ A$ í “ ¦  l  M :ë  H \  $ † ½ Ó 7 £ x \  ¦  l  >   ) a



 [34–36]. ¿ º   P :  H   † < Ês  > s à Ô x 9   Òì  r \  + þ A$ í s 

 )

a  â Ä ºs   (Fig. 14(b)) [40]. > s à Ô x 9   Òì  r \  „   

à

Ôê Á œs  ÷ &€     õ & h Ü ¼– Ð “  ÷ &  H > s à Ô „  · ú šs  à Ôê Á œ

 )

a „   | ¾ Ó\     ² ú ˜ t >   ) a  . s   H ë  H) 3 „  · ú š_     o,

Ÿ

í o „  À Ó_     o 1 p x ™ è _  > s à Ô 1 l x  Œ • : £ ¤$ í `  ¦  7 ! Q o

>   ) a  . [ j   P :  H   † < Ês  GaN Z O ß ¼\  + þ A$ í  ) a  â Ä º

“

 X < (Fig. 14(c)), ™ è  1 l x  Œ • r  G V , _  “ ¦“ : r „    (hot electron) 1 p x \  _ K  à Ôê Á œ ) a „   [ þ t s  2DEG G V , \  / B N

€ 9

 % ò % i `  ¦ + þ A$ í >  ÷ &# Q G V ,  $ † ½ Ó`  ¦ 7 £ x r v >   ) a   [37–39].

„

 À Ó Ô  æ õ  ‰ & ³ © œ`  ¦ K    l  0 AK " f  H Ä º‚   ™ è  1 l x  Œ • B

j& m 7 £ § \  @ /ô  Ç s K \  ¦  „ ½ ÓÜ ¼– Ð $ † ½ Ó 7 £ x  ° ú כ`  ¦ & ñ S X ‰

>  8 £ ¤& ñ K   ô  Ç . · ú ¡" f ƒ  / å LÙ þ ¡~    כ % ƒ! 3 , „  À Ó Ô  æ õ 

‰

&

³ © œ“ É r Û ¼0 Ag A 1 l x  Œ • ×  æ ™ è _  „  l  © œ ì  r Ÿ í_     o\  _  K

 { 9 # Qè ß – . : £ ¤ y , Û ¼0 Au  š ¸á Ô  © œI \ " f × ¼Y U“  \  Z  }

“ É

r „  · ú šs  “  ÷ &% 3 `  ¦ M :, Z  }“ É r „  l  © œ\  ” ¸Ø  ¦ ÷ &  H % ò % i  s

 ´ ú § f ” \     ™ è  y Œ •  Òì  r _    † < Ê\  „    à Ôê Á œ| ¨ c S X

‰Ò  ¦ • ¸ Z  }  ”   . s  M :  r  Û ¼0 Au  “ : r s  ÷ &# Q" f „  À Ó

 â ìØ Ô>  ÷ &€   à Ôê Á œ ) a „   [ þ t s  í  H ç ß –& h Ü ¼– Ð  4 R


t

 3 l w ô  Ç  © œI s l  M :ë  H \  $ † ½ Ós  & t >  ÷ &“ ¦, s Ê ê „  



[ þ t s  & h    4 R
š ¸€   " é ¶ A _  $ † ½ Ó`  ¦ " f" fy   r4 Ÿ ¤ 

>

  ) a  . „  À Ó Ô  æ õ  ‰ & ³ © œ`  ¦ & ñ S X ‰ y  8 £ ¤& ñ l  0 AK " f  H ` O  Û

¼ 8 £ ¤& ñ ~ ½ Ód ” `  ¦  6   x ô  Ç . Figure 15õ  ° ú  “ É r ` O Û ¼\  ¦ “  

# Œ × ¼Y U“   „  · ú š_     o\  @ /ô  Ç í  H ç ß –& h “   $ † ½ Ó_  7 £ x 

\

 ¦ 8 £ ¤& ñ >  ÷ &  H X <, s  $ † ½ Ó_   © œ@ / q Ö  ¦`  ¦ 1 l x& h  “ : r $ † ½ Ó (Dynamic On-resistance)  “ ¦ ô  Ç . 1 l x& h  “ : r $ † ½ Ó`  ¦ & ñ S X ‰

>  8 £ ¤& ñ “ ¦ „    à Ôê Á œ÷ &  H 0 Au  # Qn “  t  ì  r$ 3  K

? /  H l Õ ü t“ É r  f ”  & ñ + þ A o÷ &t  · ú §€ Œ ¤l  M :ë  H \  GaN`  ¦

>

hµ 1 Ï   H ƒ  ½ ¨l  › ' a x 9   r [ þ t“ É r y Œ • _  ~ ½ ÓZ O Ü ¼– Ð 8 £ ¤& ñ x 9

 ì  r$ 3 `  ¦ “ ¦ e ”   H X <, s  % i | ¾ ӓ É r ™ è  > hµ 1 Ï\  B Ä º ×  æ כ

¹   ½ + É Ã º e ”  .

Fig. 15. Pulse measurement for Dynamic On-resistance.

Fig. 16. Cross-sectional structure of GaN HFET device with dual field plate [40].

„

 À Ó Ô  æ õ  ‰ & ³ © œ`  ¦ F G4 Ÿ ¤ l  0 AK " f  H ™ è _    † < Ê`  ¦

\ O

E   H 1 l x r \ ,   † < Ê\  „    à Ôê Á œ÷ &  H  כ `  ¦ þ j@ /ô  Ç } Œ •



  ô  Ç . s \  ¦ 0 AK " f  H GaN ~ à Ì} Œ •_    & ñ $ í (Crystal quality) `  ¦ † ¾ Ó © œr v “ ¦, ˜ Р ñ} Œ • / B N& ñ _  þ j& h  o\  ¦ : Ÿ x K    

†

< Ê`  ¦ ×  ¦ s   H ” ¸§ 4 s  € 9 כ ¹   [41]. ¢ ¸ô  Ç, š ¸á Ô  © œI \ " f

×

¼Y U“  \  Z  }“ É r „  · ú šs  “   ÷ &% 3 `  ¦ M : „  l  © œs  : £ ¤& ñ Â Ò 0

A\  | 9 ×  æ ÷ &  H  כ `  ¦ } Œ •“ ¦ þ j@ /ô  Ç ì  r í ß –r ~  ´ à º e ”   H n  

“

 “   € 9 × ¼e  ¦ Y Us à Ô ½ ¨› ¸ (Fig. 16) \  ¦ & h 6   x # Œ ™ è \  ¦ [ O

> ½ + É € 9 כ ¹ e ”   [42,43]. z  ´] j– Ð IR, Transphorm 1 p x _

  r \ " f  H 0 Aü < ° ú  “ É r ” ¸§ 4 `  ¦  „ ½ ÓÜ ¼– Ð 600 V t  1 l x

&

h

 “ : r $ † ½ Ós   _     t  · ú §  H à ºï  r  t  ë ß –[ þ t% 3  “ ¦ ˜ Ð

“

¦ % i   [3,44].

4. Þ Ã Å4 V R Ë

™

è _   © œ6   x  o\  ¦ 0 AK " f  H ™ è _  : £ ¤$ í • ¸ ×  æ כ ¹ t  ë

ß –, z  ´] j ½ ¨1 l x ¨ 8 Š â \ " f_  1 l x  Œ • î ß –& ñ $ í `  ¦  Ž 7 £ x l  0 A

Fig. 17. (Color online) (a) Sketch of GaN HFET under electrical stress widh a high drain bias. (b) Change in max current (I

), drain/source resistance (R

/R

), and reverse gate leakage (I

) in step-stress experi- ment [46].

ô

 Ç ’  ø @$ í S X ‰ ˜ Ð ×  æ כ ¹  . ’  ø @$ í † ½ Ó3 l q“ É r z  ´] j ½ ¨1 l x

¨ 8

Š â õ  <  Ê › ¸| `  ¦ — ¸¿ º ë ß –7 á ¤ ½ + É Ã º e ” • ¸2 Ÿ ¤ [ O > ÷ &% 3 Ü ¼ 9, Õ ª ×  æ ™ è  é ß –\ " f ŠҖ Ð S X ‰ “  ½ + É † ½ Ó3 l q Ü ¼– Ѝ  H “ ¦“ : r >  s

à Ô : Ÿ x„   r + « > (HTGB, High Temperature Gate Bias),

“

¦“ : r “ ¦_ þ v % i „  · ú š : Ÿ x„   r + « > (H

TRB, High Humidity High Temperature Reverse Bias), “ : r • ¸  s 9 þ ta A r + « >

(TC, Temperature Cycling) 1 p x s  e ”  . s [ þ t r + « >“ É r €  • 1000 r ç ß – s  © œ`  ¦ | v 9  à º e ”   H  כ `  ¦ „  ] j– Ð ô  Ç  [45].

GaN HFET ™ è  % i r  Si x 9  SiC ™ è ü < ° ú  s   © œ6   x  o

\

 ¦ ² ú ˜$ í l  0 AK " f ’  ø @$ í r + « >`  ¦  u “ ¦ e ”   H é ß –>  .

GaN „  § 4 ™ è  > hµ 1 Ï œ íl  é ß –> \   H ™ è _  DC x 9  „  À Ó Ô

 æ õ  : £ ¤$ í s  ~ 1 >  $  ÷ &  H ‰ & ³ © œs  µ 1 ÏÒ q t # Œ œ íl ° ú כ`  ¦ 0

AŠҖ Ð _ …Û ¼à Ô\  ¦ ”  ' Ÿ Ù þ ¡% 3 Ü ¼
, ‰ & ³F   H l Õ ü t s  $ í ¸ n q # Œ

´ ú

§“ É r Õ ªÒ  ¨ \ " f à º…  ; œ í s  © œ\ " f• ¸ þ j™ èô  Ç_  $ í 0 p x    o

\

 ¦ t   H ™ è \  ¦ ] j Œ • # Œ DC x 9  „  À Ó Ô  æ õ  : £ ¤$ í    o

\

 ¦ › ' a ¹ 1 Ïô  Ç   õ [ þ t s  ˜ Г ¦÷ &“ ¦ e ”   [46]. þ j   H \   H GaN HFET ™ è  ’  ø @$ í _  › ' a d ”   ™ è  $ í 0 p x \ P  o " é ¶ “   ì  r

$

3 Ü ¼– Ð `  …  “ ¦ e ”  . \ P  o " é ¶ “  “ É r ß ¼>  ¿ º t – Ð


*

$t   H X <, s \  @ /K " f• ¸ ´ ú §“ É r Õ ªÒ  ¨ \ " f ƒ  ½ ¨÷ &“ ¦ e ”   [46–57].

GaN HFET ™ è _   © œ : £ ¤ à ºô  Ç \ P  o " é ¶ “  “ É r % i · ú š„  

‰

&

³ © œ (Reverse-piezoelectric effect) `  ¦ [ þ t à º e ”  . · ú ¡" f [ O 

Fig. 18. (Color online) Increase of gate current in constant-voltage stress tests [50].

"

î Ù þ ¡1 p w s , GaN HFET ™ è   H AlGaN/GaN _  · ú š„  \  _  K

 ë ß –[ þ t # Qt   H 2DEG G V , 8 £ x`  ¦ s 6   x   H X <, s  · ú š„   : £ ¤

$ í

Ü ¼– Ð “  ô  Ç ’  ø @$ í ë  H ] j µ 1 ÏÒ q t½ + É Ã º e ”  . GaN HFET

™

è _  × ¼Y U“   8 £ ¤ \  Z  }“ É r „  · ú š`  ¦   >  ÷ &€  , > s à Ô-× ¼ Y

U“   ç ß –\  y © œô  Ç „  l  © œs  µ 1 ÏÒ q t >   ) a   [48]. s  „  l  © œ

“

É r Fig. 17(a) ü < ° ú  s  – Ð~ ½ ӆ ¾ Ó_  “   © œ 6 £ x§ 4 `  ¦ µ 1 ÏÒ q tr v 



 H X <, s  6 £ x§ 4 s  { 9 & ñ à ºï  r`  ¦  Å # Q>  ÷ &€   s 7 á x] X ½ + Ë_ 

 

  Û  ¦  9   & ñ † < Æ& h    † < Ê (Crystallographic defect) s  Ò q

t$ í  ) a  . Figure 17(b)\ " f ^  ¦ à º e ” 1 p w s  s  M :_  e ” > 

„

 · ú š`  ¦ › ' a ¹ 1 Ͻ + É Ã º e ” Ü ¼ 9, s  e ” > „  · ú š`  ¦  Å # Q" f€   ™ è 

 % ò ½ ¨& h    † < Ê`  ¦ t >   ) a   [48–50]. % i · ú š„  \  _ ô  Ç e ”

> „  · ú š`  ¦ Z þ t o   H ~ ½ Óî ß –Ü ¼– Ѝ  H u-GaN s 
 n-GaN 1 p x _  Ö

“

s8 £ x`  ¦ 7 £ x ‚ Ã Ì   H ~ ½ ÓZ O s  r • ¸÷ &“ ¦ e ”  . s [ þ t GaN Ö “ s8 £ x

“

É r AlGaN C o # Q 8 £ x õ       © œÃ º s  & h “ ¦, % i · ú š„  

´

òõ \  ¦ y Œ ™™ èr v   H l 0 p x`  ¦ # Œ G V , s  | n   H e ” >  € 9 

×

¼ ° ú כ`  ¦ Z þ tw n = à º e ”   [51].

´ ú

§“ É r ™ è _  \ P  o " é ¶ “  s  ÷ &  H “ ¦“ : r „    ´ òõ • ¸ GaN HFET ™ è _  ’  ø @$ í \  % ò † ¾ Ó`  ¦ p • 2 ; . e ” > „  · ú š\  _  K

 µ 1 ÏÒ q t   H % i · ú š„   ‰ & ³ © œõ   H ² ú ˜o  “ ¦“ : r „    ´ òõ   H Õ ª s

 _  „  · ú š\ " f• ¸ ™ è \  ¦ \ P  o r v  9, „    5 Å q ÷ &

#

Q  l  M :ë  H \  ŠҖ Ð 1 l x  Œ •  © œI  (On-state) \ " f µ 1 ÏÒ q t ô

 Ç . { 9 & ñ à ºï  r Ü ¼– Ð 5 Å q ) a „     H Z  }“ É r î  r1 l x \  -t \  ¦

t >  ÷ &# Q " é ¶ t  · ú §  H  Òì  r \  à Ôê Á œ`  ¦ + þ A$ í >   ) a   [52]. s  Qô  Ç à Ôê Á œ“ É r ™ è  : £ ¤$ í _  & h ”  & h “   $  \  ¦ Ô  ¦  Q

š

¸Ù ¼– Ð, s \  _ ô  Ç % ò † ¾ ӓ É r Fig. 18 õ  ° ú  s  r ç ß –\    É r ™ è



 : £ ¤$ í    o\  ¦ 8 £ ¤& ñ † < ÊÜ ¼– Ð+ ‹ S X ‰ “  ½ + É Ã º e ”   [53]. ŠҖ Ð

>

s à Ô í ß – o} Œ •\  „    Å Ò{ 9 s  { 9 # Q
  H Si MOSFET õ 



 H ² ú ˜o  GaN ™ è \ " f  H ³ ð€  , C o # Q 8 £ x õ  ! Q(  8 £ x \  Å

Ò{ 9 s  { 9 # Q
  H X <, : £ ¤ y  ³ ð€   à Ôê Á œ“ É r Fig. 19 % ƒ! 3  EL

(Electroluminescence) 8 £ ¤& ñ 1 p x Ü ¼– Ð ’ < H~ 1 >  › ' a ¹ 1 Ï 0 p x 

Fig. 19. (Color online) EL images measured at different phases of a reverse gate-bias stress test [50].



. “ ¦“ : r „    ´ òõ \  ¦ þ j™ è o   H ~ ½ ÓZ O “ É r × ¼Y U“  õ  ™ èÛ ¼



s _  Z  }“ É r „  l  © œ`  ¦ ì  r í ß –r & " f ×  ¦ s   H  כ s  . s \  ¦ 0

AK " f  H € 9 × ¼e  ¦ Y Us à Ô (Fig. 16) 1 p x _  / B N& ñ s  • ¸{ 9 ÷ &“ ¦ e ”

Ü ¼ 9, Õ ª n  “  “ É r à ºÑ þ ˜ nm é ß –0 A– Ð ] j# Q½ + É ë ß –
p u & ñ x 9  ô

 Ç › ¸& ñ s  € 9 כ ¹   [58].

™

è  \ P  o " é ¶ “   ì  r$ 3  1 p x GaN HFET ™ è  ’  ø @$ í ¨ î

  H ´ ú §“ É r µ 1 τ  `  ¦ % i t ë ß –, ˜ Ð   © œ6   x  o\   l  0 A K

" f  H \ P  o " é ¶ “   ì  r$ 3 ÷  r  m    | ¾ Ó_  ’  ø @$ í ¨ î  X <

s

' \  ¦ S X ‰ ˜ Ð   H  כ s  Ä º‚  s  . þ j   H  t  ˜ Г ¦  ) a GaN HFET ’  ø @$ í ¨ î    õ [ þ t“ É r ŠҖ Ð ¨ î  l ï  r ×  æ ô  Ç † ½ Ó3 l q

\

 @ /ô  Ç   õ  @ / Òì  r s  9, # Œ Q † ½ Ó3 l q`  ¦ 1 l x r \  ë ß –7 á ¤ 



 H   õ   H  f ”  ´ ú §t  · ú § . ¢ ¸ô  Ç @ / Òì  r _  ’  ø @$ í \  › ' a ô  Ç

ƒ

 ½ ¨ J ?s (    õ \  | 9 ×  æ ÷ &# Q e ”   H X <, z  ´ 6   x ¨ 8 Š â ì  r

$ 3

`  ¦ 0 AK " f  H J v t  Y U6 \ š\ " f_  ì  r$ 3 s  € 9 à º& h s  .

IV. + s Ç Â ] Ø

ü

<s × ¼  ½ ™× ¼Ì “ s „  § 4 ì ø ͕ ¸^ ‰ Ó ü t| 9 “ É r Z  }“ É r „  § 4  x 9 • ¸– Ð

“

 ô  Ç “ ¦´ òÖ  ¦, ™ è+ þ A o, Õ ªo “ ¦ “ ¦5 Å q Û ¼0 Ag A : £ ¤$ í Ü ¼– Ð “   K

 Å Ò3 l q`  ¦ ~ à Γ ¦ e ” “ ¦ · ú ¡Ü ¼– Е ¸ Si l ì ø Í_  „  § 4 ì ø ͕ ¸^ ‰ ™ è



ü <  â Ô q t €  " f Si_  ô  Ç> \  ¦ V , y   H ƒ  ½ ¨ t 5 Å q& h Ü ¼– Ð r

• ¸ | ¨ c  כ s  . : £ ¤ y  GaN HFET „  § 4 Û ¼0 Ag A ™ è _  “ ¦ 5

Å

q Û ¼0 Ag A : £ ¤$ í `  ¦  Ö ¸6   x # Œ r Û ¼% 7 ›`  ¦ ™ è+ þ A o   H r • ¸



 H > hZ >  ™ è _  é ß – 7 £ x   8 • ¸ r Û ¼% 7 › ´ òÖ  ¦ s  7 £ x

 l  M :ë  H \  ´ ú §“ É r & h 6   x r • ¸ s À Ò# Qt “ ¦ e ”   H  Òì  r s

 . t ë ß –, à ºz   ¸  _  % i  \  ¦ t “ ¦ e ”   H Si l ì ø Í_ 

„

 § 4 ì ø ͕ ¸^ ‰ l Õ ü t x 9  ” ¸ Ä º q é ß – ™ è  ] j Œ • ÷  r ë ß –   m

  ½ ¨1 l x _  þ j& h  o• ¸ Ÿ í† < Ê 1 p w s , r Û ¼% 7 › ½ ¨1 l x \ " f• ¸

GaN _   © œ& h `  ¦ = å J # Q`  ¦w n = à º e ” • ¸2 Ÿ ¤ þ j& h  o\  ¦   H ” ¸§ 4  s

 € 9 כ ¹  . z  ´] j– Ð GaN HFET „  § 4 Û ¼0 Ag A ™ è \  ¦ l 

”

> r _  r Û ¼% 7 ›\  é ß –í  H & h 6   xÙ þ ¡`  ¦ M :\   H GaN _   © œ& h s  ½ ¨

‰

&

³÷ &l  ˜ Ð   H š ¸y  9 a % ~ t  · ú §“ É r : £ ¤$ í `  ¦ ˜ Ðs   H  â Ä º

7 á

x7 á x µ 1 ÏÒ q tô  Ç . ‰ & ³F  GaN € ª œí ß –`  ¦ “ ¦ e ”  
 € ª œí ß – o\  ¦

· ú

¡¿ º“ ¦ e ”   H \ O ^ ‰[ þ t • ¸ GaN HFET „  § 4 Û ¼0 Ag A ™ è  ÷  r ë

ß –  m   ½ ¨1 l x ¨ 8 Š â x 9  þ j& h  o\  @ /ô  Ç _ " t À ҂  `  ¦ ° ú  s  ] j /

B

N   H  כ • ¸ s  Qô  Ç s Ä »s  . ™ è ü < r Û ¼% 7 ›s  |  x 9  

>

 a ž ?§ 4 `  ¦ # Œ > hµ 1 ÏK 
ç ß – €   GaN HFET „  § 4 Û ¼0 A g A ™ è   H [ j@ / „  § 4 ì ø ͕ ¸^ ‰ ™ è – Ð “ ¦´ òÖ  ¦ „  § 4  r Û ¼

% 7

› ½ ¨‰ & ³\  ×  æ כ ¹ô  Ç % i ½ + É`  ¦ ½ + É  כ s   l @ /ô  Ç .

P

c p 8 ý ò k >

‘

: r  7 Hë  H“ É r ´ ú §“ É r ‚  ' Ÿ  ƒ  ½ ¨  õ \  l ì ø Í`  ¦ ¿ º“ ¦ e ” Ü ¼ 9 LG„    System IC ƒ  ½ ¨™ è\  _ K  ƒ  ½ ¨÷ &% 3  .

REFERENCES

[1] U.S. Secretary of Energy and Minister of Natural Resources Canada, Final Report on August 14, 2003 Blackout in the United States and Canada: Causes and Recommendations (2004).

[2] E. C. Nho, G.-B. Jung and N. S. Choi, Power Elec- tronics (Munundang, Seoul, 1997), Chap. 1.

[3] U. Mishra, in Presentations of the 2013 Applied Power Electronics Conference and Exposition (Long Beach, Calif., 2013), plenary session.

[4] Y. S. Yang, J. D. Kim and M. G. Jang, Electronics and Telecommunications Trends 24, 11 (2009).

[5] T. Imada, M. Kanamura and T. Kikkawa, in IPEC, 2010 international, 2010, 1027 (2010).

[6] U. K. Mishra, P. Parikh and Y.-F. Wu, Proc. IEEE 90, 1022 (2002).

[7] N. Ikeda, Y. Niiyama, H. Kambayashi, Y. Sato and T. Nomura et al., Proc. IEEE 98, 1151 (2010).

[8] H. Otake, K. Chikamatsu, A. Yamaguchi, T. Fu- jishima and H. Ohta, Appl. Phys. Exp. 1, 011105 (2008).

[9] S. Chowdhury, B. L. Swenson and U. K. Mishra, IEEE Electron Device Lett. 29, 543 (2008).

[10] M. Kanechika, M. Sugimoto, N. Soejima, H. Ueda

and O. Ishiguro et al., Jpn. J. Appl. Phys. 46, L503

(2007).