日本AIST成功试制GaN结合SiC功率半导体
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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电晶体与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电晶体耐压失效问题
-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，混合电晶体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。
功率电晶体技术背景
由于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。