用复合晶体管开辟新天地
2022/12/29 7:47:10 材料来源：化合物半导体
独特的集成制造工艺创造了复合晶体管，将氮化镓HEMT的低导通电阻与SiC二极管的非破坏性击穿结合起来。
作者：国家先进工业科学技术研究所，Akira NAKJIMA
我们这个星球的温度正在上升，这将给人类带来可怕的后果。正因为如此，全球碳排放量迅速下降至关重要。为此目标，我们必须在许多方面采取行动，包括采用新的方法来创造、分配和使用能源。
如果我们要迈向一个更环保的社会，我们将需要改变我们生产和使用大部分电力的方式。这样的努力将不得不考虑电力转换器，它可以升压和降压，并将电压从直流转换到交流，反之亦然--这是广泛应用于许多电子应用中的“电力砖”，包括个人电脑、电信、电动汽车和航空航天应用中的电源。削减这些转换器中的功率损耗并提高其效率，这将在系统层面上实现节能。
转向低碳社会还需要增加电动汽车的使用量，同时安装更多的风力涡轮机和太阳能发电场。对于所有这些绿色技术，我们需要比现有技术更小、更高效、更可靠的电力转换器。要实现这一点，必须在变流器中使用的功率晶体管方面进行进一步的技术创新。
电源转换电路的核心是功率晶体管，发挥开关的作用。理想情况下，这些器件应结合低导通电阻，以确保在导通状态下的低传导损耗，并具有快速开关性能，以减少开关损耗。
硅功率晶体管被广泛部署在转换器应用中。由于自20世纪60年代以来的广泛研究和开发，它们的性能得到了改善，但现在正逼近材料的极限。因此，为了实现更高的效率，有必要转向其它半导体材料。
图1. 100毫米SiC衬底上制造的复合HEMT照片（左）和等效电路图（右）。
这促使人们对宽带隙半导体制备的器件产生了浓厚的兴趣。其中已经获得商业成功的是GaN HEMT，它具有高密度、高迁移率的二维电子气体（2DEG）作为沟道，其由AlGaN/GaN异质界面的独特极化性质所产生（见图2（a））。
由于在没有杂质掺杂的情况下产生自由电子，该沟道的迁移率可以超过1500 cm2 V-1 s-1 。这种晶体管的另一个优点是，由于材料的高电场强度，可以在高达1013 cm-2的浓度下实现对2DEG的控制，这比砷化镓和硅器件的浓度高一个数量级。有了这些特性，GaN HEMT在低电阻和快速开关方面超过了硅器件的极限。
图2.（a）传统的GaN基HEMT和（b）硅基的DMOSFET的示意图截面。
自从研究人员在20世纪90年代报告了第一个GaN HEMT以来，现在已经过去了很多年。随后的开发和商业化使它们被应用在小于约3千瓦的电源转换器中，如智能手机的紧凑型交流适配器，它们将高效率和小型化结合起来。
不幸的是，GaN HEMT存在与可靠性有关的问题，阻碍了它们在大功率场景中的应用，如电动汽车�？煽啃允芩鸬脑蚴瞧涮匦杂胂钟械墓杌┥OSFET不同(见图2(b))。在这种双扩散MOSFET中，在p型基区和n型漂移层之间有一个p-n结，以及一个p-n二极管--称为 "体二极管"--以反平行配置连接（等效电路见图3（a））。在这种配置下，在异常电路操作下对DMOSFET施加过电压会导致体二极管发生非破坏性的雪崩击穿，噪声能量在硅芯片中被吸收为焦耳热。由于这个原因，当硅功率晶体管被用于转换器电路拓扑结构时，它们倾向于防止在异常操作期间出现过电压，从而确保系统的可靠性。
图3. 本研究中（a）硅DMOSFETs，（b）GaN HEMTs和（c）复合HEMTs的等效电路。
对于GaN HEMT，这是一个非常不同的状态。 氮化镓HEMT没有体二极管，所以没有通道让噪声能量流出，导致这种形式的晶体管易被过压破坏。这一弱点使GaN HEMT所提供的节能效果只限于低功率转换器。
氮化镓和碳化硅的结合
在国家先进工业科学与技术研究所，我们的团队开发了一种解决这一弱点的方法，该方法基于引入结合了GaN和SiC的复合HEMT。这种新颖的晶体管解决了破坏性击穿的问题，其特点是一个基于碳化硅的反并行p-n二极管，单片集成到GaN HEMT(见图5(a))，查看该器件的示意图，3(c)为器件的等效电路)。这种复合器件有五个电极：GaN HEMT结构的源极、栅极和漏极；以及碳化硅二极管结构的阳极和阴极。
图5.(a)GaN/SiC基复合HEMT示意图。HEMT中的五个电极：HEMT中的源极(S)、栅极(G)和漏极(D)；以及碳化硅二极管中的阳极(A)和阴极(C)。(b)GaN/SiC复合HEMT的制备工艺流程。
在关断状态下工作，这种复合器件可以在SiC体二极管中发生非破坏性的雪崩击穿，确保器件的可靠和稳定性。而该器件在导通状态下，电流流经AlGaN/GaN异质界面的2DEG沟道，实现了低的导通电阻。因此，得益于这些运行模式，我们的复合HEMT将两种材料真正重要的优点充分结合在了一起。
为了生产我们的新器件，我们扩大了一条100 mm的基于碳化硅的原型生产线，该生产线位于日本筑波的一家开放创新平台。我们的这种改进为制造碳化硅、氮化镓和复合器件创造了一条原型生产线。通过这些改进，我们已经能够制造出尺寸较小、栅宽为50 mm的混合HEMT器件。
我们制造器件所采取的步骤(如图5(b)所示)始于通过CVD生长的p型碳化硅。之后，我们通过离子注入和激活形成p型和n型碳化硅区域，然后用MOCVD生长HEMT层，并用干法刻蚀确定台面结构。然后加入电极，接着沉积3毫米厚的铝层，提供焊盘金属。我们的最后一步是用聚酰亚胺覆盖表面，并在器件的背面沉积一种镍基合金。
在关断状态下工作，这种复合器件可以在SiC体二极管中发生非破坏性的雪崩击穿，确保器件的可靠和稳定性。而该器件在导通状态下，电流流经AlGaN/GaN异质界面的2DEG沟道，实现了低的导通电阻。
对我们的复合HEMT进行的电学测量产生了令人振奋的结果。与典型的GaN HEMT不同，它们不会在击穿后立即破坏，而是在碳化硅二极管中经历非破坏性的雪崩击穿，这是通过将碳化硅侧的击穿电压设计为略低于GaN侧的击穿电压来实现的。图6(a)显示了与约1.2kV的击穿电压相关的击穿行为。由于雪崩击穿是非破坏性的，我们的器件在多次扫描测试中提供了一个稳定的可逆击穿。在正向偏压下工作，我们的复合HEMT产生了高达300 mA/mm的漏极电流和仅47 Ω mm的导通电阻，这要归功于高迁移率的2DEG（见图6(b)）。
除了低导通电阻和无损击穿外，我们的复合晶体管还具有出色的热耗散特性。这一特殊属性来自于SiC的优良导热性，它是硅基器件的三倍。
图6. (a)所制造的复合HEMT的实测关断状态下的击穿特性。 重复的电流电压（I-V）扫描曲线高达2 mA/mm，显示出对雪崩电流压力具有很高的稳定性。 (b) 通态特性。 由于电流流经低电阻的2DEG，测得了47Ω mm的低导通电阻和300mA/mm的高饱和电流。
其它的结合
我们的复合HEMT具有很大的潜力，在正向和反向偏压下都有很好的特性，并且有很好的热管理特性。对于一个仍处于起步阶段的器件来说，这些都是非常令人鼓舞的迹象，在优化器件结构和制造工艺方面还有很多机会。我们下一步的目标是展示大面积的器件，额定电流为10A或更大，可用于实际的功率转换器中。我们还将通过与在功率器件方面有技术专长的公司合作，努力使这项技术商业化。
我们的工作是利用比硅的带隙宽得多的宽带隙材料开发功率器件，属于全球努力的一部分。SiC和GaN器件现在已经商业化，而那些具有更大带隙的材料，如很有前景的Ga2O3、AlN和金刚石，正在吸引人们的注意。在这三者中，金刚石由于其极高的击穿场强和超强的热导率，有可能成为终极半导体。然而，不同半导体的异质集成可能提供新的、非常规的机会。
我们的复合HEMT突出了复合器件如何能够提供单一材料所无法提供的优良性能。相信仍有许多组合可供探索，为新的器件概念打开了大门。我们的目标是调研究这种方法可能带来的可能性，以及它如何释放新一代功率器件极限。
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