氮化鎵元件有機會成為高功率元件/模組產業的亮點,基於材料本身的優越特性使得氮化鎵功率元件具有低導通電組、高速切換頻率、高崩潰電壓及高溫操作等優越特性。但氮化鎵元件要大量導入應用仍須克服以下幾個挑戰,方能取代現有功率元件或是導入高階市場應用,主要的挑戰簡要說明如下:
1.元件的電流崩潰問題:一般常開元件型功率元件需給以反向閘極偏壓控制元件導通與否,而使用於通訊之功率放大器(PA)元件,則需要極大的反向偏壓進行切換,導至閘極金屬與鈍化層表面產生電子陷阱(electron trap)現象,嚴重時形成導電路徑並使閘極漏電流增加,進而降低了通道電流密度,稱為元件的電流崩潰現象。(圖一)

圖一、氮化鎵元件電流崩潰現象示意圖
from R. Vetury, N.Q. Zhang, S. Keller, and U.K. Mishra, Electron Devices, IEEE Transactions on, vol. 48, no. 3, pp. 560-566, 2001.
2.常閉(Normally-off)操作特性:電力電子元件基於安全的考量,於電路應用時多使用常閉元件,以避免元件誤作動問題(如車輛馬達驅動),但由於2DEG的常開特性,很難產生常閉型元件,而目前無論是增強型(E-mode)或是串疊(Cascode)電路架構下的常閉型氮化鎵元件理論上都面臨崩潰電壓下降及低導通電阻不易達成等問題。
3.元件封裝之整合性問題:目前常見之氮化鎵功率元件為水平式結構,透過2DEG高電子遷移率特性達成元件高功率輸出目的,此類元件的封裝方式與一般元件不同,錯誤的封裝將導致元件特性不易發揮,並產生高雜散電感及高溫操作可靠度下降等問題。此外,目前運用碳化矽與氮化鎵所研發的功率元件,隨著操作頻率的提升,元件寄生效應的後果也日趨嚴重,需透過正確的封裝方式來加以降低,方能於市面上銷售。