作者ynlin1996 (.)
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标题[新闻] 日本AIST成功试制GaN结合SiC功率半导体
时间Tue Feb 8 10:55:20 2022
日本AIST成功试制GaN结合SiC功率半导体
https://bit.ly/3LdwRNP
日本産业技术综合研究所(AIST)宣称成功试制了将碳化矽(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
术可用於电子産品和纯电动汽车(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电晶体与SiC二极管的结合在单一晶片上
-解决了电路异常工作时出现的GaN电晶体耐压失效问题
-有望应用於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,结合碳化矽(SiC)
两个PN二极管混合型集成在单晶片上。因此,混合电晶体有望应用於需要高可靠性的电动
汽车和用於太阳光发电的功率调节器。
功率电晶体技术背景
由於功率电晶体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。
对於当前功率晶体管的主流矽(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电晶体的截面结构。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。由於这个原因,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 的混合电晶体,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电
晶体原型推出。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在外延膜上进行电晶体生长。
-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 电晶体单片化。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,形成一种三端混合电晶体。
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电晶体中,器
件在弯屈时立即被破坏。另一方面,在AIST制造的混合电晶体中,通过将 SiC 侧的耐压
设计为略低於 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,由於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。由於,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电
晶体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,由於 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电晶体
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。
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