GaN類功率元件，高耐壓成功率半導(dǎo)體主角

　　采用Si基板降低成本，通過改變構(gòu)造改善特性

　　那么，GaN類功率元件的成本、電氣特性以及周邊技術(shù)方面存在的課題是如何解決的呢？

　　首先，有望降低成本是因為可以利用價格低且口徑大的5～6英寸Si基板。Si基板與藍寶石基板、SiC基板和GaN基板相比，口徑大而且單位面積的價格低。如果能利用大口徑基板，便可通過大型化提高生產(chǎn)效率，因此有望降低成本。

　　如果是耐壓為數(shù)十V的產(chǎn)品，將基板上積層的外延層與基板組合，成本“可降至3美元/cm2以下”（IR）。中～高耐壓產(chǎn)品也計劃實現(xiàn)相同的制造成本，但仍比Si制功率元件高。

　　因此，涉足GaN類功率元件業(yè)務(wù)的企業(yè)的目標是，通過使用8英寸基板或減薄外延層進一步降低成本（圖6）。

圖6：通過擴大基板口徑、減薄緩沖層進一步降低價格

　　目前，通過使用口徑為5～6英寸的Si基板，可削減一定的成本。今后，將通過利用大口徑基板，提高生產(chǎn)時的吞吐量以及減薄緩沖層的厚度，以進一步降低成本。

　　減薄緩沖層

　　推動GaN類功率元件成本降低的另一個改善點是緩沖層的薄型化。設(shè)置緩沖層是為了吸收積層的GaN類半導(dǎo)體與Si之間的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)差異，防止產(chǎn)生裂縫等結(jié)晶缺陷。不過，該緩沖層的生長需要花費時間。因為層數(shù)多且厚。GaN類半導(dǎo)體各層的厚度為nm級，而緩沖層為數(shù)μm。

　　目前有很多企業(yè)在繼續(xù)研發(fā)減少緩沖層多層膜層數(shù)或減薄緩沖層整體厚度的方法。在參與研發(fā)的技術(shù)人員中，有人認為，通過薄型化，“可實現(xiàn)與Si制功率元件相同的價格”。

　　改善電氣特性

　　GaN類功率元件與Si制功率元件相比處于下風的電氣特性方面的課題也得到了大幅改善（圖7）。

圖7：特性有望提高

　　在Si基板上制作的GaN類功率元件存在的電氣特性課題正在逐步改善。將普遍進行常閉工作，不久還將推出耐壓600V的產(chǎn)品。運行后導(dǎo)通電阻上升的電流崩塌課題也在逐步解決。

　　GaN類功率元件電氣特性方面的課題是指：第一，即使不向晶體管的柵極加載電壓也會導(dǎo)通的“常開工作”。原因在于GaN類功率元件內(nèi)的“二維電子氣（2DEG）”。但電源電路、尤其是需要600V以上耐壓功率元件的大電力電源電路非常重視安全性，要求實現(xiàn)只要不加載柵極正向電壓就不導(dǎo)通的“常閉工作”。

　　因此，參與GaN類功率元件開發(fā)的企業(yè)分別采取不同的方法實現(xiàn)了常閉化。目前，雖然閾值電壓比Si制IGBT和MOSFET低，但大多數(shù)GaN類晶體管均可在＋1～2V左右的閾值電壓下實現(xiàn)常閉工作注2）。

　　注2）有觀點認為，即使閾值電壓只有＋2V左右也沒問題。Si制功率元件的閾值電壓為＋3V左右，這是“為了確保在將近150 ℃的高溫下閾值電壓也能超過＋1V”（EPC社）。如果是GaN類功率元件，“在將近150℃的高溫下閾值也不會大幅變化，能確保＋1V以上”（該公司）。

　　常閉化方法中最普遍的方法是在柵極正下方挖掘溝道使AlGaN層局部變薄的“溝槽”法（圖8）。具有外延生長比較容易的優(yōu)點。

圖8：實現(xiàn)常閉化的方法多種多樣

　　實現(xiàn)常閉化有多種方法。具有代表性的是在柵極正下方挖掘溝槽的方法、設(shè)置覆蓋層的方法以及設(shè)置柵極絕緣膜的方法。每種方法各有利弊，因此有時還會組合使用多種方法來實現(xiàn)常閉化。

　　其次是在柵極電極和AlGaN層之間設(shè)置名為“覆蓋層”的p型層的方法。松下就采用了這種方法，該公司設(shè)置了p型AlGaN層作為覆蓋層。該方法具有容易降低導(dǎo)通電阻的特點。

　　最后是設(shè)置柵極絕緣膜的方法。這是單純的GaN類FET而非HEMT利用的方法。不過，一般多與凹槽構(gòu)造組合使用。因為這樣不但容易調(diào)整閾值電壓，還能減少漏電流。

　　除此之外，還有很多常閉方法正在研究之中。根據(jù)情況還可組合使用多種方法。

　　實現(xiàn)1kV以上的耐壓GaN類功率元件電氣特性方面存在的第二個課題是耐壓。由于是在Si基板這種不同材質(zhì)的基板上制作，因此很難提高耐壓，此前耐壓一直較低。不過，現(xiàn)在情況有了顯著改善，耐壓為600V級的GaN類晶體管將于2011年下半年至2012年供貨。

　　另外，目前還出現(xiàn)了耐壓超過1kV的研發(fā)成果。例如，新一代功率元件技術(shù)研究聯(lián)盟在“ISPSD 2011”上公開了耐壓高達1.7kV的GaN類功率元件（圖9）。這是通過使外延層整體厚度達到7.3μm、將無摻雜GaN層的厚度減薄至50nm、以及設(shè)置碳（C）摻雜GaN層等實現(xiàn)的。

　　新一代功率元件技術(shù)研究聯(lián)盟開發(fā)出了耐壓高達1.7kV的常閉型GaN類功率元件。是通過加厚外延層、減薄無摻雜GaN層以及設(shè)置碳摻雜GaN層等實現(xiàn)的。

　　松下開發(fā)出了可實現(xiàn)2.2kV耐壓的要素技術(shù)。通過在Si基板表面附近設(shè)置p型層，減輕了向漏極加載正向電壓時，Si基板和GaN界面產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)層的漏電流（圖10）。由此，GaN外延層能以1.9μm的厚度實現(xiàn)2.2kV的耐壓。利用該構(gòu)造，還有望實現(xiàn)3kV以上的耐壓。

　　松下通過在Si基板表面附近設(shè)置p型層，提高了GaN類功率元件的耐壓。因為可減小向漏極加載正向電壓時，Si基板和GaN界面產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)層的漏電流。（圖由本站根據(jù)松下的資料制作）

　　抑制電流崩塌

　　GaN類功率元件電氣特性方面的第三個課題是“電流崩塌”。電流崩塌是指，加載高漏極電壓后，再加載漏極電壓的話，導(dǎo)通電阻會上升的現(xiàn)象。估計其主要原因在于，通過元件內(nèi)的電子阱移動通道的電子被捕獲了。

　　電場過于集中在柵極電極端會產(chǎn)生漏電子，從而生成電子阱。也就是說，要想抑制電流崩塌，必須緩解電場集中的情況。

　　實現(xiàn)手法大致有兩種。一是采用在柵極電極追加金屬板的“場板（FP）構(gòu)造”的方法。作為緩解電場集中的方法較為普遍。

　　另一種是不采用FP構(gòu)造的方法。例如POWDEC公司在柵極和漏極之間增加了無摻雜GaN層和p型GaN層，抑制了電流崩塌（圖11）。該公司認為，采用FP難以確保1kV以上的耐壓，因此采用了此次的這種構(gòu)造。POWDEC已確認，在藍寶石基板上確保了1.1kV的耐壓，而且“基本沒出現(xiàn)”（該公司）因電流崩塌造成的導(dǎo)通電阻上升。

圖11：抑制電流崩塌

　　POWDEC在柵極和漏極之間加入了無摻雜GaN層和p型GaN層，提高耐壓的同時，抑制了電流崩塌（a）。如果采用這種元件構(gòu)造，不容易出現(xiàn)電場集中，可減少漏電子，因此能抑制電流崩塌（b）。（圖由本站根據(jù)POWDEC的資料制作）

　　通過上述舉措，2011年下半年至2012年上市的600V耐壓產(chǎn)品因電流崩塌而上升的導(dǎo)通電阻值可抑制在1.1～1.3倍左右注3）。

　　注3） 本來GaN類功率元件的導(dǎo)通電阻就比Si制功率元件小，因此如果導(dǎo)通電阻只上升1.1～1.3倍左右，“在使用上不會有太大問題”（多家GaN類功率元件廠商的技術(shù)人員）。

　　周邊技術(shù)改善了三點

　　GaN類功率元件的周邊技術(shù)也在加速改進。目前至少大幅改進了三點。

　　第一，使之無法向柵極加載大電壓。在常閉工作的GaN類功率元件中，有的元件能向柵極加載的電壓范圍很小。比如EPC公司的100V耐壓產(chǎn)品的柵極電壓范圍為-5～+6V，小于相同耐壓的MOSFET的-20～+20V。所以，無法向柵極加載太大的電壓。

　　因此，國家半導(dǎo)體正在樣品供貨的柵極驅(qū)動IC“LM5113”配備了確保不加載較大柵極電壓的保護功能 注4）。

　　注4）此外，還有企業(yè)在開發(fā)用于GaN類晶體管的專用柵極驅(qū)動IC。如松下、三墾電氣以及美國模擬半導(dǎo)體廠商等。

　　第二，降低了進行高速開關(guān)動作時產(chǎn)生的電磁噪聲。將GaN類功率元件用于開關(guān)電源等時，打開和關(guān)閉的速度越快越能降低開關(guān)損耗，但在高頻率下會產(chǎn)生電磁噪聲（圖12）。另外，開關(guān)時電壓會產(chǎn)生振鈴（Ringing），在高頻率下容易產(chǎn)生電磁噪聲。越是快速開關(guān)GaN類功率元件，該問題越