日本AIST发布全球首颗SiC&GaN集成芯片
行家说消息 2021年12月12日，日本先进工业科学技术研究所（AIST）宣布，他们成功开发了全球首颗GaN HEMT与 SiC SBD的集成单芯片原型。
据介绍，该原型混合晶体管实现了低导通电阻（GaN的特性）和非破坏性击穿能力（SiC二极管的优势），因此有望应用于要求高可靠性的电动汽车和光伏发电等领域。
这项技术的详细信息将于美国旧金山举行的第 67 届 IEEE 国际电子器件年会上公布。
现有问题：硅器件性能接近极限
近年来，全球变暖问题日益严重，要实现碳中和，电源转换器必须比现在的更高效、更小、更可靠。因此，电源转换器的功率晶体管需要进一步的技术创新。
功率晶体管用作开关时，需要三个性能提升：(1) 低导通电阻；(2) 高速开/关性能；(3)具备非破坏性击穿能力。
对于主流的硅晶体管来说，(1)到(3)的性能几乎达到了材料的极限，因此，需要使用GaN、SiC等宽禁带半导体来超越硅极限。
GaN HEMT具有高电流密度、快开关速度和低导通电阻等优点，如图1 所示。
图1：传统GaN高电子迁移率晶体管的横截面图
传统的硅基晶体管通常采用MOSFET结构，再反并联连接一个PN二极管，如图2(a)所示。
图2：晶体管的等效电路(a) si 型、(b)氮化镓、(c)混合型
但是，由于源极和漏极之间没有 PN 结，GaN HEMT没有体二极管，因此其雪崩能力差。器件在阻断状态下，当漏端电压超过器件的额定耐压时，会引起器件本身以及系统的安全性和可靠性问题，给实际应用造成了很大不便，如图3所示。
图3：si 晶体管和氮化镓晶体管的降伏特性示意图
全球首颗GaN+SiC单芯片 有望实现汽车级高可靠性
为解决GaN HEMT的可靠性问题，AIST进行了混合晶体管的研究和开发——在同一衬底上，将GaN晶体管和SiC二极管集成在一起（即单片化），如图2(c)所示。
而开发氮化镓和碳化硅的混合晶体管，需要建设开发氮化镓和碳化硅集成器件原型的环境，所以AIST扩建了一条SiC功率器件的4英寸原型线，将其作为SiC和GaN的共享原型线，并用于开发混合晶体管原型。
据介绍，AIST已经成功地进行了原型设计，并确认该原型的小尺寸器件（额定电流约20 mA）已经可以可靠运行。
图4：该原型的横截面示意图
该原型的结构是这样的：
首先，在SiC衬底上生长p型SiC外延膜。
接着，通过离子注入形成由p + 型SiC和n型SiC构成的二极管结构。
然后，通过在它们的顶部外延生长三个膜，即GaN外延层、AlGaN势垒层和GaN帽层来制造GaN晶体管结构。
通过这种方式，AIST成功地将SiC二极管和GaN晶体管进行单片化集成。其中，p+型SiC上的阳极与AlGaN势垒层上的源极相连，n型SiC上的阴极与AlGaN势垒层上的漏电极相连，形成三端混合晶体管。
这个原型具有4个好处：
图5：（a）该原型混合晶体管在截止状态下的击穿特性、(b)导通状态下的通电特性
首先，击穿电压更高。通常，GaN晶体管很容易被击穿破坏。但是，在AIST制造的混合晶体管中，通过将SiC侧的耐压设计为略低于GaN，从而获得了SiC二极管中的非破坏性雪崩击穿，击穿电压约为1.2 kV。
其次，由于具备非破坏性击穿能力，通过多次实验可以确认，该原型具备稳定和可逆的击穿操作。
第三，导通电阻更低。由于电流流过具有高迁移率的二维电子气，因此该原型具备300 mA / mm的高漏电流和47 Ω mm的低导通电阻。
第四，散热更好。由于碳化硅的热导率是硅的三倍，因此优异的散热特性也是该混合晶体管的一个特点。
AIST认为，该器件技术有望提高电源转换器的效率和可靠性，他们接下来计划开发可用于实际转换器的大尺寸器件（额定值10A或更高）。
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