日本开发出GaN和SiC混合晶体管

禁带宽度是半导体的一个重要特性参数，根据半导体材料的能带结构不同，可将半导体材料分成两种类型：宽禁带和窄禁带。若半导体材料的带隙宽度小于2.3eV，则称为窄带隙半导体，代表性材料有GaAs、Si、Ge 和InP ；若半导体材料的带隙宽度大于或等于2.3eV，则称为宽带隙半导体，代表性材料有GaN、SiC、AlN 和氮化铝镓（AlGaN）等。半导体材料的禁带宽度越大，意味着其电子跃迁到导带所需的能量越大，从而材料能承受的温度和电压越高，即越不容易成为导体。

宽禁带半导体材料非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件，其具有良好的抗辐射能力及化学稳定性、较高的饱和电子漂移速度及导热率、优异的电性能等特点。SiC 与GaN 是第三代宽禁带半导体材料中发展比较成熟的材料。近年来，迅速发展起来的以GaN、SiC 为代表的宽禁带半导体材料是固态光源和电力电子、微波射频器件的“核芯”，在半导体照明、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域具有广阔的应用前景，可望成为支撑信息、能源、交通、国防等产业发展的重点新材料，进行宽禁带半导体材料的相关技术研发正在成为全球半导体产业新的战略高地。

近日，日本国家先进工业科学技术研究所（AIST）宣布，它成功地制造并验证了混合晶体管的制造和操作，该晶体管将使用GaN的高电子流动性晶体管和使用SiC的PN二极管整体集成在一起。

研究结果由AIST先进电力电子研究中心电力设备团队高级研究员中岛明彦和原田信介领导的研究小组完成。

为了实现电子设备的节能，有必要提高各种设备的能效。因此，对于用于转换和控制此类功率能量的功率转换器的功率晶体管，还需要进一步的技术创新。

由于功率晶体管用作电力转换电路中电气开关，因此"为了实现高效率的功率转换，在开关接通状态下减少导通损耗的低导通电阻"、"用于减少开关损耗的导通和截止的高速切换性能"、"在电力转换电路的异常动作时作为噪声能量的吸收源的作用" 需要三种性能。

在传统的Si晶体管中，由于这三种性能据说在材料上几乎达到了极限，作为下一代半导体材料，GaN和SiC的宽带隙有望得到利用。然而，传统的GaN高电子流动性晶体管（GaN晶体管），由于源电极和漏极之间不存在PN结，由于没有体二极管，因此不适合作为噪声能量的吸收源。因此，研究人员说，他们的目标是通过在同一基板上形成GaN晶体管和SiC二极管来解决这些问题。

为了实现这一点，需要GaN和SiC的设备原型设计环境，因此，在TIA的开放创新中心"TIA"内，AIST等3个研究机构和东京大学等3所国立大学合作运营的SiC功率器件的100mm原型生产线已经扩大。作为SiC和GaN的共享原型生产线推出，并决定进行混合晶体管的原型设计。作为概念验证，对小型设备（额定电流约为20mA）进行了原型设计，并成功确认了其运行。

图：在100mm晶圆上形成的混合晶体管及其等效电路（来源：AIST网站）

混合晶体管，在SiC基板上晶体生长p型SiC外延膜后，通过离子注入形成p+型SiC和n型SiC的二极管结构。在它们上部外延生长GaN外延膜、AlGaN阻挡膜、GaN盖膜这3个膜外延生长，在制作GaN晶体管结构的流程中单片化的膜上，连接p+型SiC上的阳极电极、AlGaN阻挡层上的源电极，n型SiC上的阴极电极， 据说，它以连接AlGaN阻隔层上的漏极的形式制造。

图：（上）晶体管的等效电路 (a) Si 类型，(b) GaN 类型，（c）混合类型；（下） Si和GaN晶体管屈服特性的示意图（右）

此次制造的混合晶体管，通过设计SiC侧的耐压略低于GaN，在SiC二极管中获得了无损雪崩击穿，其屈服电压约为1.2kV。此外，由于获得无损雪崩投降，对于多次扫描，可以确认稳定的可逆屈服操作。

图：（左）传统GaN晶体管的结构（右）这次开发的混合晶体管的结构

另一方面，对于开状态下的通电特性，由于电流通过高流动性二维电子气体流动，高漏极电流和47μmm的300mA/mm低导通电阻得到确认。

图：（a）关闭状态下的屈服特性; （b） 导通状态下导通电阻特性的评价结果

此外，SiC的导热性是Si的三倍，因此具有优异的散热性能，预计新一代功率转换器的效率和可靠性将得到提高。

研究人员计划在未来对可用于实际转换器的大面积器件（额定值10A或更高）进行操作验证，除了成功的混合晶体管外，SiC和GaN的融合技术有望带来许多可能性，从而有助于从概念验证到大规模生产原型的桥梁， 我们还希望积极探索企业联合研究。