日本AIST成功試製GaN結合SiC功率半導體 - 工程師

日本AIST成功試製GaN結合SiC功率半導體

https://bit.ly/3LdwRNP

日本産業技術綜合研究所（AIST）宣稱成功試製了將碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）結合
為一體的半導體，這是通過結合兩種特性不同的功率半導體材料，實現新一代電力轉換技
術可用於電子産品和純電動汽車（EV）的節能化的解決方案，兼顧較高的轉換效率和可靠
性。

-成功實現GaN電晶體與SiC二極管的結合在單一晶片上
-解決了電路異常工作時出現的GaN電晶體耐壓失效問題
-有望應用於太陽能發電的電機驅動和功率調節器

AIST研究團隊
由日本AIST主任研究員Akira Nakajima帶領功率器件團隊Shinsuke Harada研究員進行一
種寬帶隙半導體研究。使用氮化鎵(GaN)具有高功率電子轉換電晶體管，結合碳化矽(SiC)
兩個PN二極管混合型集成在單晶片上。因此，混合電晶體有望應用於需要高可靠性的電動
汽車和用於太陽光發電的功率調節器。

功率電晶體技術背景
由於功率電晶體在功率轉換電路中用作電開關，因此需要以下三個性能：

(1) 低導通電阻以減少導通狀態下的傳導損耗，實現高效的功率轉換
(2) 高速開關性能以減少開關損耗
(3) 功率轉換異常操作期間的噪聲能量電路作為吸收源的作用中，當在截止狀態下施加過
電壓時，晶體管會造成非破壞性擊穿，並將噪聲能量作為熱能吸收，以確保功率轉換器的
可靠性。

對於當前功率晶體管的主流矽（Si）晶體管，（1）到（3）的性能幾乎達到了材料的極限
。因此，作為超越Si極限的技術，使用GaN、SiC等寬帶半導體的功率晶體管的研究和開發
一直在進行。圖1顯示了傳統的GaN電晶體的截面結構。如圖 1 所示，高電子遷移率晶體
管在源電極 (S) 和漏電極 (D) 之間沒有 PN 結，沒有二極管。由於這個原因，GaN晶體
管在（1）和（2）方面具有優勢，但也具有獨特的缺點，即（3）尺寸小，這阻礙了它們
的廣泛使用。

本研究內容
為了實現 GaN 和 SiC 的混合電晶體，需要 GaN 和 SiC 的器件原型環境。所以AIST擴展
了 SiC 功率器件的 100 mm 原型線，並將其作為 SiC 和 GaN 的共享原型線以及混合電
晶體原型推出。這次作為概念驗證，AIST成功地進行了原型設計並確認了小型設備的操作
（額定電流約為 20 mA）。原型的示意性橫截面，如下：
-SiC襯底上的p型SiC在外延膜上進行電晶體生長。
-離子注入形成了具有p + 型SiC和n型SiC的二極管結構。此外，在它們之上，GaN外延膜
GaN電晶體管結構通過外延生長AlGaN阻擋膜和GaN帽膜這三個膜來製造。
-通過這種方式，成功地將 SiC 二極管和 GaN 電晶體單片化。連接p + 型SiC上的陽極（A
）和AlGaN勢壘層上的源極（S），連接n型SiC上的陰極（C）和AlGaN上的漏極（D）勢壘
層，形成一種三端混合電晶體。

從原型混合晶體管在關斷狀態下的成品率特性評估結果來看，通常，在 GaN電晶體中，器
件在彎屈時立即被破壞。另一方面，在AIST製造的混合電晶體中，通過將 SiC 側的耐壓
設計為略低於 GaN 的耐壓，實現了 SiC 二極管的非破壞性雪崩擊穿，而彎屈電壓約為
1.2 kV。此外，由於獲得了非破壞性雪崩擊穿，因此可以確認多次掃描的穩定且可逆的彎
屈操作。另一方面，當ON狀態的通電特性。由於，高機動性電流流過二維電子氣，因此確
認了 300 mA/mm 的高漏極電流和 47 Ω mm 的低導通電阻。通過這種方式，除了 GaN電
晶體的低導通電阻特性之外，AIST還能夠展示一種執行非破壞性彎屈操作的混合晶體管。
此外，由於 SiC 的熱導率是 Si 的 3 倍，因此可以獲得出色的散熱特性也是混合電晶體
的一個特點。因此，這種器件技術有望為下一代電源轉換器帶來更高的效率和可靠性。

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