日本AIST成功试制GaN结合SiC功率半导体

日本产业技术综合研究所（AIST）宣称成功试制了将碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）结合为一体的半导体，这是通过结合两种特性不同的功率半导体材料，实现新一代电力转换技术可用于电子产品和纯电动汽车（EV）的节能化的解决方案，兼顾较高的转换效率和可靠性。

• 成功实现GaN晶体管与SiC二极管的结合在单一芯片上
• 解决了电路异常工作时出现的GaN晶体管耐压失效问题
• 有望应用于太阳能发电的电机驱动和功率调节器  

AIST研究团队
由日本AIST主任研究员Akira Nakajima带领功率器件团队Shinsuke Harada研究员进行一种宽带隙半导体研究。使用氮化镓(GaN)具有高功率电子转换电晶体管，结合碳化硅(SiC)两个PN二极管混合型集成在单芯片上。因此，混合晶体管有望应用于需要高可靠性的电动汽车和用于太阳光发电的功率调节器。

功率晶体管技术背景
由于功率晶体管在功率转换电路中用作电开关，因此需要以下三个性能：

(1) 低导通电阻以减少导通状态下的传导损耗，实现高效的功率转换
(2) 高速开关性能以减少开关损耗
(3) 功率转换异常操作期间的噪声能量电路作为吸收源的作用中，当在截止状态下施加过电压时，晶体管会造成非破坏性击穿，并将噪声能量作为热能吸收，以确保功率转换器的可靠性。

对于当前功率晶体管的主流硅（Si）晶体管，（1）到（3）的性能几乎达到了材料的极限。因此，作为超越Si极限的技术，使用GaN、SiC等宽带半导体的功率晶体管的研究和开发一直在进行。图1显示了传统的GaN晶体管的截面结构。如图1 所示，高电子迁移率晶体管在源电极(S) 和漏电极(D) 之间没有PN 结，没有二极管。由于这个原因，GaN晶体管在（1）和（2）方面具有优势，但也具有独特的缺点，即（3）尺寸小，这阻碍了它们的广泛使用。

本研究内容
为了实现GaN 和SiC 的混合晶体管，需要GaN 和SiC 的器件原型环境。所以AIST扩展了SiC 功率器件的100 mm 原型线，并将其作为SiC 和GaN 的共享原型线以及混合晶体管原型推出。这次作为概念验证，AIST成功地进行了原型设计并确认了小型设备的操作（额定电流约为20 mA）。原型的示意性横截面，如下：

• SiC衬底上的p型SiC在外延膜上进行晶体管生长。
• 离子注入形成了具有p + 型SiC和n型SiC的二极管结构。此外，在它们之上，GaN外延膜GaN电晶体管结构通过外延生长AlGaN阻挡膜和GaN帽膜这三个膜来制造。
• 通过这种方式，成功地将SiC 二极管和GaN 晶体管单片化。连接p + 型SiC上的阳极（A）和AlGaN势垒层上的源极（S），连接n型SiC上的阴极（C）和AlGaN上的漏极（D）势垒层，形成一种三端混合晶体管。

从原型混合晶体管在关断状态下的成品率特性评估结果来看，通常，在GaN晶体管中，器件在弯屈时立即被破坏。另一方面，在AIST制造的混合晶体管中，通过将SiC 侧的耐压设计为略低于GaN 的耐压，实现了SiC 二极管的非破坏性雪崩击穿，而弯屈电压约为1.2 kV。此外，由于获得了非破坏性雪崩击穿，因此可以确认多次扫描的稳定且可逆的弯屈操作。另一方面，当ON状态的通电特性。由于，高机动性电流流过二维电子气，因此确认了300 mA/mm 的高漏极电流和47 Ω mm 的低导通电阻。通过这种方式，除了GaN晶体管的低导通电阻特性之外，AIST还能够展示一种执行非破坏性弯屈操作的混合晶体管。此外，由于SiC 的热导率是Si 的3 倍，因此可以获得出色的散热特性也是混合晶体管的一个特点。因此，这种器件技术有望为下一代电源转换器带来更高的效率和可靠性。获取更多前沿科技 研究进展 访问：https://byteclicks.com