GaN类功率元件，高耐压成功率半导体主角

　　采用Si基板降低成本，通过改变构造改善特性

　　那么，GaN类功率元件的成本、电气特性以及周边技术方面存在的课题是如何解决的呢？

　　首先，有望降低成本是因为可以利用价格低且口径大的5～6英寸Si基板。Si基板与蓝宝石基板、SiC基板和GaN基板相比，口径大而且单位面积的价格低。如果能利用大口径基板，便可通过大型化提高生产效率，因此有望降低成本。

　　如果是耐压为数十V的产品，将基板上积层的外延层与基板组合，成本“可降至3美元/cm2以下”（IR）。中～高耐压产品也计划实现相同的制造成本，但仍比Si制功率元件高。

　　因此，涉足GaN类功率元件业务的企业的目标是，通过使用8英寸基板或减薄外延层进一步降低成本（图6）。

图6：通过扩大基板口径、减薄缓冲层进一步降低价格

　　目前，通过使用口径为5～6英寸的Si基板，可削减一定的成本。今后，将通过利用大口径基板，提高生产时的吞吐量以及减薄缓冲层的厚度，以进一步降低成本。

　　减薄缓冲层

　　推动GaN类功率元件成本降低的另一个改善点是缓冲层的薄型化。设置缓冲层是为了吸收积层的GaN类半导体与Si之间的晶格常数和热膨胀系数差异，防止产生裂缝等结晶缺陷。不过，该缓冲层的生长需要花费时间。因为层数多且厚。GaN类半导体各层的厚度为nm级，而缓冲层为数μm。

　　目前有很多企业在继续研发减少缓冲层多层膜层数或减薄缓冲层整体厚度的方法。在参与研发的技术人员中，有人认为，通过薄型化，“可实现与Si制功率元件相同的价格”。

　　改善电气特性

　　GaN类功率元件与Si制功率元件相比处于下风的电气特性方面的课题也得到了大幅改善（图7）。

图7：特性有望提高

　　在Si基板上制作的GaN类功率元件存在的电气特性课题正在逐步改善。将普遍进行常闭工作，不久还将推出耐压600V的产品。运行后导通电阻上升的电流崩塌课题也在逐步解决。

　　GaN类功率元件电气特性方面的课题是指：第一，即使不向晶体管的栅极加载电压也会导通的“常开工作”。原因在于GaN类功率元件内的“二维电子气（2DEG）”。但电源电路、尤其是需要600V以上耐压功率元件的大电力电源电路非常重视安全性，要求实现只要不加载栅极正向电压就不导通的“常闭工作”。

　　因此，参与GaN类功率元件开发的企业分别采取不同的方法实现了常闭化。目前，虽然阈值电压比Si制IGBT和MOSFET低，但大多数GaN类晶体管均可在＋1～2V左右的阈值电压下实现常闭工作注2）。

　　注2）有观点认为，即使阈值电压只有＋2V左右也没问题。Si制功率元件的阈值电压为＋3V左右，这是“为了确保在将近150 ℃的高温下阈值电压也能超过＋1V”（EPC社）。如果是GaN类功率元件，“在将近150℃的高温下阈值也不会大幅变化，能确保＋1V以上”（该公司）。

　　常闭化方法中最普遍的方法是在栅极正下方挖掘沟道使AlGaN层局部变薄的“沟槽”法（图8）。具有外延生长比较容易的优点。

图8：实现常闭化的方法多种多样

　　实现常闭化有多种方法。具有代表性的是在栅极正下方挖掘沟槽的方法、设置覆盖层的方法以及设置栅极绝缘膜的方法。每种方法各有利弊，因此有时还会组合使用多种方法来实现常闭化。

　　其次是在栅极电极和AlGaN层之间设置名为“覆盖层”的p型层的方法。松下就采用了这种方法，该公司设置了p型AlGaN层作为覆盖层。该方法具有容易降低导通电阻的特点。

　　最后是设置栅极绝缘膜的方法。这是单纯的GaN类FET而非HEMT利用的方法。不过，一般多与凹槽构造组合使用。因为这样不但容易调整阈值电压，还能减少漏电流。

　　除此之外，还有很多常闭方法正在研究之中。根据情况还可组合使用多种方法。

　　实现1kV以上的耐压GaN类功率元件电气特性方面存在的第二个课题是耐压。由于是在Si基板这种不同材质的基板上制作，因此很难提高耐压，此前耐压一直较低。不过，现在情况有了显著改善，耐压为600V级的GaN类晶体管将于2011年下半年至2012年供货。

　　另外，目前还出现了耐压超过1kV的研发成果。例如，新一代功率元件技术研究联盟在“ISPSD 2011”上公开了耐压高达1.7kV的GaN类功率元件（图9）。这是通过使外延层整体厚度达到7.3μm、将无掺杂GaN层的厚度减薄至50nm、以及设置碳（C）掺杂GaN层等实现的。

　　新一代功率元件技术研究联盟开发出了耐压高达1.7kV的常闭型GaN类功率元件。是通过加厚外延层、减薄无掺杂GaN层以及设置碳掺杂GaN层等实现的。

　　松下开发出了可实现2.2kV耐压的要素技术。通过在Si基板表面附近设置p型层，减轻了向漏极加载正向电压时，Si基板和GaN界面产生的反转层的漏电流（图10）。由此，GaN外延层能以1.9μm的厚度实现2.2kV的耐压。利用该构造，还有望实现3kV以上的耐压。

　　松下通过在Si基板表面附近设置p型层，提高了GaN类功率元件的耐压。因为可减小向漏极加载正向电压时，Si基板和GaN界面产生的反转层的漏电流。（图由本站根据松下的资料制作）

　　抑制电流崩塌

　　GaN类功率元件电气特性方面的第三个课题是“电流崩塌”。电流崩塌是指，加载高漏极电压后，再加载漏极电压的话，导通电阻会上升的现象。估计其主要原因在于，通过元件内的电子阱移动通道的电子被捕获了。

　　电场过于集中在栅极电极端会产生漏电子，从而生成电子阱。也就是说，要想抑制电流崩塌，必须缓解电场集中的情况。

　　实现手法大致有两种。一是采用在栅极电极追加金属板的“场板（FP）构造”的方法。作为缓解电场集中的方法较为普遍。

　　另一种是不采用FP构造的方法。例如POWDEC公司在栅极和漏极之间增加了无掺杂GaN层和p型GaN层，抑制了电流崩塌（图11）。该公司认为，采用FP难以确保1kV以上的耐压，因此采用了此次的这种构造。POWDEC已确认，在蓝宝石基板上确保了1.1kV的耐压，而且“基本没出现”（该公司）因电流崩塌造成的导通电阻上升。

图11：抑制电流崩塌

　　POWDEC在栅极和漏极之间加入了无掺杂GaN层和p型GaN层，提高耐压的同时，抑制了电流崩塌（a）。如果采用这种元件构造，不容易出现电场集中，可减少漏电子，因此能抑制电流崩塌（b）。（图由本站根据POWDEC的资料制作）

　　通过上述举措，2011年下半年至2012年上市的600V耐压产品因电流崩塌而上升的导通电阻值可抑制在1.1～1.3倍左右注3）。

　　注3） 本来GaN类功率元件的导通电阻就比Si制功率元件小，因此如果导通电阻只上升1.1～1.3倍左右，“在使用上不会有太大问题”（多家GaN类功率元件厂商的技术人员）。

　　周边技术改善了三点

　　GaN类功率元件的周边技术也在加速改进。目前至少大幅改进了三点。

　　第一，使之无法向栅极加载大电压。在常闭工作的GaN类功率元件中，有的元件能向栅极加载的电压范围很小。比如EPC公司的100V耐压产品的栅极电压范围为-5～+6V，小于相同耐压的MOSFET的-20～+20V。所以，无法向栅极加载太大的电压。

　　因此，国家半导体正在样品供货的栅极驱动IC“LM5113”配备了确保不加载较大栅极电压的保护功能 注4）。

　　注4）此外，还有企业在开发用于GaN类晶体管的专用栅极驱动IC。如松下、三垦电气以及美国模拟半导体厂商等。

　　第二，降低了进行高速开关动作时产生的电磁噪声。将GaN类功率元件用于开关电源等时，打开和关闭的速度越快越能降低开关损耗，但在高频率下会产生电磁噪声（图12）。另外，开关时电压会产生振铃（Ringing），在高频率下容易产生电磁噪声。越是快速开关GaN类功率元件，该问题越