米乐m6官方网站 全球首次演示集成 GaN 和 SiC 的混合晶体管的运行

米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）先进电力电子研究中心功率器件组，首席研究员中岛彰，研究组组长原田信介是宽带隙半导体氮化镓（使用 GaN）高电子迁移率晶体管和碳化硅（使用 SiC）PN 二极管两者整体集成的混合型晶体管的操作。通过构建独特的集成制造工艺线，可以同时处理 GaN 和 SiC 器件原型生产，我们实现了混合晶体管的实现。原型混合晶体管具有低导通电阻并且在 SiC 二极管中已被证明是非破坏性的投降因此，混合晶体管有望应用于需要高可靠性的电动汽车和太阳能发电功率调节器。未来，我们的目标是进一步优化器件制造工艺，搭建通向实际应用的桥梁。

这项技术的详细信息将于 2021 年 12 月 11 日至 15 日在美国旧金山举行的第 67 届 IEEE 国际电子器件年会上在线公布。

近年来，全球变暖问题日益严重，全社会节能已成为迫切需要。转换和控制电能电源转换器是一种重要的装置，可以使所有使用电能的设备（包括家用电器和工业设备）实现节能。为了在2050年实现碳中和，电动汽车和太阳能发电将得到普及，这些系统中使用的电源转换器将需要比目前更高效、更小、更可靠。因此，对于功率转换器中使用的功率晶体管来说，进一步的技术创新至关重要。

由于功率晶体管在功率转换电路中用作电气开关，因此需要以下三个性能。

①低导通电阻，减少导通状态下的导通损耗，实现高效功率转换
②快速开关性能，降低开关损耗
③功率转换电路异常工作时作为噪声能量吸收源的作用

在③中，当在关断状态下施加过压时，晶体管会发生非破坏性击穿，并将噪声能量作为热能吸收，确保功率转换器的可靠性。

硅（Si）晶体管是当前功率晶体管的主流，在性能（1）到（3）方面几乎已经达到了材料的极限。因此，作为超越Si限制的技术，人们正在对使用GaN和SiC等宽带隙半导体的功率晶体管进行研究和开发。图1示出了传统的GaN高电子迁移率晶体管(以下简称“GaN晶体管”)的截面结构。高电子迁移率晶体管的源极 (S) 和漏极 (D) 之间没有 PN 结，如图 1 所示，因此体二极管失踪了。因此，尽管GaN晶体管在(1)和(2)方面具有优势，但在(3)方面它们具有尺寸小的固有弱点，这一直是其广泛使用的障碍。

传统的硅晶体管有MOS场效应晶体管的结构采用图2(a)等效电路所示的PN二极管(以下称为“体二极管”)反并联连接。图 3 描绘了 Si 晶体管在截止状态下的电流-电压特性。如果由于异常工作而对晶体管施加过电压，体二极管不会被损坏。雪崩投降产生噪声，并且噪声能量被作为热能吸收。

如上所述，由于高电子迁移率晶体管独特的器件结构，GaN 晶体管没有体二极管。因此，如图2(b)所示，噪声无法逃逸，即使是最轻微的噪声也会损坏元件。因此，我们对将GaN晶体管和SiC二极管一体形成在同一衬底上的混合晶体管进行了研究和开发（以下简称“单片化”），如图2（c）所示。

为了实现 GaN 和 SiC 的混合晶体管，需要同时适用于 GaN 和 SiC 的器件原型设计环境。所以我们TIA的开放式创新中心之一，并将其作为 SiC 和 GaN 的共享原型生产线以及混合晶体管原型推出。作为概念验证，我们成功地制作了原型并确认了小型设备（额定电流约为 20 mA）的运行。图 4 显示了原型的横截面示意图。首先，将p型SiC外延薄膜的晶体生长。然后离子注入形成p+型SiC和n型SiC的二极管结构。此外，在它们的顶部，GaN外延膜和氮化铝镓我们通过外延生长三层薄膜制造了 GaN 晶体管结构：阻挡膜和 GaN 盖膜。通过这种方式，他们成功制造出了单片SiC二极管和GaN晶体管。将p+型SiC上的阳极（A）与AlGaN势垒层上的源极（S）连接，将n型SiC上的阴极（C）与AlGaN势垒层上的漏极（D）连接，形成三端混合晶体管。

图5(a)显示了原型混合晶体管在截止状态下的击穿特性的评估结果。通常，GaN 晶体管在击穿时会立即损坏。相比之下，在我们制造的混合晶体管中，通过将SiC侧的击穿电压设计为略低于GaN侧的击穿电压，我们能够在SiC二极管中实现非破坏性雪崩击穿。击穿电压约为12kV。此外，由于获得了非破坏性雪崩击穿，因此多次扫描证实了稳定且可逆的击穿行为。另一方面，导通状态下的电流传导特性如图2所示。 5(b)。高机动性2D电子气，因此确认了300mA/mm的高漏极电流和47Ωmm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，我们还能够展示一种具有非破坏性击穿操作的混合晶体管。混合晶体管的另一个特点是SiC的热导率是Si的三倍，从而提供了出色的散热特性。因此，该器件技术有望提高下一代电源转换器的效率和可靠性。

将来，我们计划致力于演示可在实际转换器中使用的大面积器件（额定电流为 10 A 或更高）的运行情况。此外，除了成功演示的混合晶体管外，SiC和GaN融合技术预计还有很多可能性。我愿意为从各种想法的概念验证到批量生产原型的转变做出贡献，并积极探索与企业的联合研究。

已出版的杂志：第 67 届 IEEE 国际电子器件年会技术摘要
论文标题：具有无损击穿的 12 kV GaN/SiC 基混合高电子迁移率晶体管
作者：A Nakajima、H Hirai、Y Miura 和 S Harada

◆氮化镓(GaN)

由氮 (N) 和镓 (Ga) 组成的化合物半导体。它作为蓝色 LED 的使用始于 20 世纪 90 年代。此外，近年来，高电子迁移率晶体管的研究和开发不断取得进展。其特点是高速开关，开始应用于需要600V以下高速开关性能的应用，例如智能手机的小型AC适配器。[返回来源]

◆高电子迁移率晶体管

使用半导体异质结的晶体管。一般称为HEMT（高电子迁移率晶体管）。在未掺杂杂质的GaN膜上形成氮化铝镓(AlGaN)阻挡膜。由于极化，在该异质结界面处形成二维电子气。二维电子气由于流经未掺杂的GaN，因此可以实现极高的迁移率。与 MOSFET 不同，HEMT 没有体二极管。[返回来源]

◆晶体管

一种具有源极、栅极和漏极的三端半导体器件。源极和漏极之间的电流可以通过施加到栅电极的电压来控制开/关。用作电源转换器中的电气开关。[返回来源]

◆碳化硅(SiC)

由碳（C）和硅（Si）组成的化合物半导体。与传统的硅半导体相比，它具有优越的物理性能，可以改善功率器件的特性。它们开始主要用于需要高功率和高可靠性的应用，例如火车。[返回来源]

◆PN二极管

结合了p型半导体和n型半导体的二极管。具有整流特性、在通常使用的电压范围内只允许电流正向流动的半导体器件。[返回来源]

◆整体

多个设备一体形成的状态，从而使它们成为单个组件。[返回来源]

◆导通电阻

晶体管是一种电气开关，当开关导通时，其电阻有限，这称为导通电阻。为了减少导通时的损耗，要求功率晶体管具有低的导通电阻。[返回来源]

◆投降

晶体管是电气开关，在开关关闭时具有有限的耐受电压，如果施加超过耐受电压的电场，晶体管就无法保持关闭状态，电流开始流动。这就是所谓的投降。由于半导体的雪崩现象，Si晶体管和SiC晶体管以非破坏性方式击穿。另一方面，GaN 晶体管存在破坏性击穿的问题。[返回来源]

◆电源转换器

使用半导体晶体管开关（打开和关闭内部电路）进行功率转换（DC/AC转换和电压转换）和控制的设备。它用于从智能手机到火车的各种用电设备。[返回来源]

◆体二极管

集成到晶体管中的二极管。体二极管总是形成在MOS场效应晶体管中。另一方面，高电子迁移率晶体管没有体二极管。[返回来源]

◆MOS场效应管

具有绝缘栅结构的晶体管。一般称为MOSFET（金属/氧化物/半导体场效应晶体管）。这种结构是使用Si或SiC的功率晶体管的主流。绝缘栅结构允许用小驱动电流进行开/关控制。此外，在MOSFET中，由于器件结构的原理，总是与MOSFET反并联形成PN二极管，这称为寄生二极管或体二极管。[返回参考源]

◆雪崩投降

半导体PN结特有的击穿现象。当反向电压升高并达到临界值时，由于电子和空穴的碰撞电离而产生电流流动，导致击穿。[返回来源]

◆TIA

由米乐m6官方网站、国立材料科学研究所、筑波大学、高能加速器研究机构、东京大学和东北大学运营的开放式创新中心。[返回来源]

◆外延片

外延生长的薄膜继承了下面的晶体结构。结晶度高，晶体缺陷少。 n型和p型半导体的电导率是通过在生长过程中引入杂质来控制的。[返回来源]

◆离子注入

一种半导体器件制造工艺。通过使用电场加速离子化杂质，将其注入半导体中。控制 n 型和 p 型半导体的电导率。[返回来源]

◆AlGaN

一种半导体三元混晶，其中GaN晶体中一定比例的Ga原子被Al原子取代。随着Al原子比例的增加，物理性能逐渐接近AlN。[返回参考源]

◆二维电子气

由于极化，AlGaN 和 GaN 之间的界面自然产生正固定电荷。这种固定电荷在界面处感应出高浓度的电子，称为二维电子气。无需杂质掺杂，室温迁移率1500cm²/V・s 或更高。[返回来源]