日本産業技術綜合研究所（AIST）宣稱成功試製了將碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）結合為一體的半導體，這是通過結合兩種特性不同的功率半導體材料，實現新一代電力轉換技術可用於電子産品和純電動汽車（EV）的節能化的解決方案，兼顧較高的轉換效率和可靠性。
- 成功實現GaN電晶體與SiC二極管的結合在單一晶片上
- 解決了電路異常工作時出現的GaN電晶體耐壓失效問題
- 有望應用於太陽能發電的電機驅動和功率調節器
AIST研究團隊
由日本AIST主任研究員Akira Nakajima帶領功率晶片團隊Shinsuke Harada研究員進行一種寬帶隙半導體研究。使用氮化鎵(GaN)具有高功率電子轉換電晶體管，結合碳化矽(SiC)兩個PN二極管混合型集成在單晶片上。因此，混合電晶體有望應用於需要高可靠性的電動汽車和用於太陽光發電的功率調節器。
圖、AIST在直徑100mm晶片上形成的混合電晶體及其等效電路
功率電晶體技術背景
由於功率電晶體在功率轉換電路中用作電開關，因此需要以下三個性能：
(1) 低導通電阻以減少導通狀態下的傳導損耗，實現高效的功率轉換
(2) 高速開關性能以減少開關損耗
(3) 功率轉換異常操作期間的噪聲能量電路作為吸收源的作用中，當在截止狀態下施加過電壓時，晶體管會造成非破壞性擊穿，並將噪聲能量作為熱能吸收，以確保功率轉換器的可靠性。
對於當前功率晶體管的主流矽（Si）晶體管，（1）到（3）的性能幾乎達到了材料的極限。因此，作為超越Si極限的技術，使用GaN、SiC等寬帶半導體的功率晶體管的研究和開發一直在進行。圖1顯示了傳統的GaN電晶體的截面結構。如圖 1 所示，高電子遷移率晶體管在源電極 (S) 和漏電極 (D) 之間沒有 PN 結，沒有二極管。由於這個原因，GaN晶體管在（1）和（2）方面具有優勢，但也具有獨特的缺點，即（3）尺寸小，這阻礙了它們的廣泛使用。
本研究內容
為了實現 GaN 和 SiC 的混合電晶體，需要 GaN 和 SiC 的晶片原型環境。所以AIST擴展了 SiC 功率晶片的 100 mm 原型線，並將其作為 SiC 和 GaN 的共享原型線以及混合電晶體原型推出。這次作為概念驗證，AIST成功地進行了原型設計並確認了小型設備的操作（額定電流約為 20 mA）。原型的示意性橫截面，如下：
- SiC襯底上的p型SiC在外延膜上進行電晶體生長。
- 離子注入形成了具有p + 型SiC和n型SiC的二極管結構。此外，在它們之上，GaN外延膜GaN電晶體管結構通過外延生長AlGaN阻擋膜和GaN帽膜這三個膜來製造。
- 通過這種方式，成功地將 SiC 二極管和 GaN 電晶體單片化。連接p + 型SiC上的陽極（A）和AlGaN勢壘層上的源極（S），連接n型SiC上的陰極（C）和AlGaN上的漏極（D）勢壘層，形成一種三端混合電晶體。
圖2、AIST混合電晶體與傳統GaN電晶體結構比較
從原型混合晶體管在關斷狀態下的成品率特性評估結果來看，通常，在 GaN電晶體中，晶片在彎屈時立即被破壞。另一方面，在AIST製造的混合電晶體中，通過將 SiC 側的耐壓設計為略低於 GaN 的耐壓，實現了 SiC 二極管的非破壞性雪崩擊穿，而彎屈電壓約為1.2 kV。此外，由於獲得了非破壞性雪崩擊穿，因此可以確認多次掃描的穩定且可逆的彎屈操作。另一方面，當ON狀態的通電特性。由於，高機動性電流流過二維電子氣，因此確認了 300 mA/mm 的高漏極電流和 47 Ω mm 的低導通電阻。通過這種方式，除了 GaN電晶體的低導通電阻特性之外，AIST還能夠展示一種執行非破壞性彎屈操作的混合晶體管。此外，由於 SiC 的熱導率是 Si 的 3 倍，因此可以獲得出色的散熱特性也是混合電晶體的一個特點。因此，這種晶片技術有望為下一代電源轉換器帶來更高的效率和可靠性。(1240字；圖1)
論文刊載：
期刊：Technical digest in 67th Annual IEEE International Electron Devices Meeting
論文標題：1.2 kV GaN/SiC-based Hybrid High Electron Mobility Transistor with Non-destructive Breakdown
著者：A. Nakajima, H. Hirai, Y. Miura, and S. Harada
參考資料：
GaNとSiCを一体化したハイブリッド型トランジスタを世界で初めて動作実証。AIST，2021/12/12。
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