“GaN”功率元器件的探索 - 未来的材料宠儿“碳化硅”和“氮化镓”

　　罗姆在“GaN”功率元器件领域的前沿探索

　　GaN功率元器件是指电流流通路径为GaN的元器件。“GaN”曾被作为发光材料进行过研究，现在仍然作为已普及的发光二极管（LED）照明的核心部件蓝色LED用材料广为使用。同时，还有一种称为“WBG”的材料，与发光元件应用几乎同一时期开始研究在功率元器件上的应用，现已作为高频功率放大器进入实用阶段。

　　GaN与Si和SiC元件的不同之处在于元件的基本“形状”。图1为使用GaN的电子元器件的一般构造。晶体管有源极、栅极、漏极3个电极，Si和SiC功率元器件称为“纵向型”，一般结构是源极和栅极在同一面，漏极电极在基板侧。GaN为源极、栅极、漏极所有电极都在同一面的“横向型”结构。在以产业化为目的的研究中，几乎都采用这种横向型结构。

　　之所以采用横向型结构，是因为希望将存在于AlGaN/GaN界面的二维电子气（2DEG）作为电流路径使用。GaN既是具有自发电介质极化（自发极化）的晶体，也是给晶体施加压力即会重新产生压电极化（极化失真）的压电材料。AlGaN与GaN在自发极化存在差别，由于晶格常数不同，如果形成如图1中的AlGaN/GaN异质结，为了匹配晶格常数，晶体畸变，还会发生极化失真。因这种无意中产生的电介质极化之差，如图2所示，GaN的禁带向AlGaN下方自然弯曲。因此，其弯曲部分产生2DEG。由于这种2DEG具有较高的电子迁移率（1500 cm2/Vs左右），因此可进行非常快的开关动作。但是，其另外一面，相反，由于电子流动的路径常时存在，因此成为栅极电压即使为0V电流也会流过的称为“常开型（normally-on）”的元件。

　　

　　正如之前所提及的，对WBG材料的最大期待是提高耐压性能。由于SiC基本可以实现与Si相同的纵向型结构，因此发挥材料特性的耐压性能得以提升。但是，GaN则情况不同。图1所示的横向型结构较难提升耐压性能，这一点通过Si元件既已明了，只要GaN也采用图1的结构，物理特性上本应实现的耐压性能就很难发挥出来。但是，本来对WBG材料的期待就是耐压特性，因此，发布的GaN元器件多为耐压提升产品。但是，提升耐压性能的方法基本上只能通过增加栅极/漏极间的距离，而这样芯片就会增大，芯片增大就意味着成本上升。

　　只要采用图1的结构，GaN功率元器件的特点不仅是耐压性能，还有使用２DEG的高速电子迁移率而来的高频动作性能。因而，GaN晶体管常被称为GaN-HEMT注7。

　　GaN”功率元器件的特性：确保高频特性并实现高速动作

　　罗姆开发的“常开型（normally-on）”型元器件的特性见表2，是栅极宽度为9.6cm的元器件，命名为“HEMT”，可查到的其高频特性的文献非常少。起初罗姆以尽量确保高频特性为目标进行了开发，结果表明，罗姆的“常开型（normally-on）”元器件的动态特性非常优异。表中的td（on）、tr、td（off）、tf等特性指标表示高速性能。由于是“常开型（normally-on）”元器件，因此栅极进入负电压瞬间，元器件关断，0V时元器件导通。符号表示方法是：栅极电压信号关断时（元器件开始向ON移行时）为t = 0，源极/漏极间电压Vds减少到施加电压的90%之前的时间为td（on），从90%减少到10%的时间为tr，另外，栅极电压信号导通时（元器件开始向OFF移行时）为t = 0，Vds增加到施加电压的10%之间的时间为td（off），从10%增加到90%的时间为tf。

　　在现有的Si功率元器件中，td（on）、tr、td（off）、tf多为几十 ns～100 ns左右，而在GaN-HEMT中，全部为数ns左右。假设进行10 MHz、duty50%的脉冲动作，ON/OFF时间仅为50ns，上升下降仅10ns，脉冲的实质宽度已达30ns，无法确保矩形的波形。而使用这种元器件则无此问题，10 MHz亦可动作。

　　

　　对于GaN-HEMT来说，棘手的问题是电流崩塌。这是根据漏极电压的施加状态导通电阻发生变动的现象。可以观测到使开关频率变化时导通电阻变动、在Vds导通（ON）时无法完全为0V、关断（OFF）时无法返回到施加电压的现象。

　　罗姆的“常开型（normally-on）”元器件使栅极电压的开关频率变化时的Vds表现如图3所示。由于没有优化栅极驱动器，在10MHz存在duty没有达到50%的问题，但在这个频率范围内，没有发现引起电流崩塌的趋势。因此，可以认为，只要解决“常开（normally-on）”这一点，即可证明GaN卓越的高速动作性能。

　　

　　今后：罗姆将积极推进常关型元器件的特性改善并进行应用探索

　　面向GaN元器件的发展，正因为几乎所有的应用都是以“常关”为前提设计的，因此“常关化”的推进成为了时下的当务之急。如今罗姆正致力于推进高频特性卓越的常关型元器件的特性改善，同时也在进行应用探索。为呈现出GaN最闪耀的应用和只有GaN才能实现的应用而加大开发力度，将不断带来全新的技术体验。

　　＜术语解说＞

　　注1：SJ-MOSFET

　　超级结MOSFET的缩写。即超级结金属氧化物场效应三极管。

　　注2：SiC

　　Silicon Carbide的缩写。即碳化硅，是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑为原料通过电阻炉高温冶炼而成。

　　注3：GaN

　　即氮化镓，属第三代半导体材料，六角纤锌矿结构。

　　注4：宽禁带（WBG）半导体

　　宽禁带半导体材料（Eg大于或等于3.2ev）被称为第三代半导体材料。主要包括金刚石、SiC、GaN等。

　　注5：IGBT

　　IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件， 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

　　注6：FRD

　　快速恢复二极管（Fast Recovery Diode，缩写成FRD），是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管。

　　注7：HEMT

　　高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor），是一种异质结场效应晶体管，又称为调制掺杂场效应晶体管（MODFET）、二维电子气场效应晶体管（2-DEGFET）、选择掺杂异质结晶体管 （SDHT）等。这种器件及其集成电路都能够工作于超高频（毫米波）、超高速领域。