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氮化镓|日本研制出全球首个1200V、电流超过20A的GaN功率半导体器件
上传更新:2016-07-26

2016-07-25 摘自大国重器

日本丰田合成株式会社(Toyoda Gosei)研发出世界首个氮化镓(GaN)基1200V功率晶体管芯片,工作电流超过20A。

研发历程

丰田合成从1986年开始研究GaN基晶体发光二极管(LED)的生长技术,2010年开始研究GaN基功率半导体器件的生长技术。公司此前曾制造出基于GaN衬底的1200V低损耗MOSFET,并进行了测试验证,现在进一步研发出可实现器件并行工作的连线技术,可使1.5平方毫米大小的垂直GaN晶体管承载20A的电流。根据公司自己的调研结果,他们的研究成果是首个达到1200V、20A能力的GaN功率半导体器件。

横向GaN器件的利弊

GaN器件所具有的低导通电阻特性可降低功耗和热量,成为研究热点。但此前的工作都聚焦在横向GaN和AlGaN晶体管上,这些结构能够提供高电子迁移率和低电阻特性,但受限于击穿电压和阈值电压,不能显著减少器件尺寸,不适用于汽车等领域。

现有垂直GaN器件的利弊

本次进展采用垂直GaN器件。此前的研究已显示出,垂直GaN器件的击穿电压可通过增加漂移区的厚度来增加,而无需牺牲器件尺寸。但到目前,现有垂直GaN器件要保持较低导通电阻就无法经受住过高的阻断电压。

技术突破

研究人员重新设计了沟道厚度和漂移层的掺杂浓度,使导通电阻减少至1.8毫欧每平方厘米,是其此前研究成果的1/6;阈值电压达到可与常规横向GaN器件相比拟的3.5V,阻断电压超过1200V。采用垂直结构还有助于减少芯片尺寸和制造成本。

研究人员使用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)在独立的n+-GaN衬底上分别生长了0.2微米n+-GaN、0.7微米p-GaN和13微米n–-GaN。与以前的研究成果相比,厚度为13微米的漂移层厚度变薄,但掺杂浓度更高,以减少电阻和保持1200组的阻断电压;p-GaN沟道也变薄,掺杂浓度降低,进一步减少阻抗。栅绝缘层是使用原子层沉积(ALD)的80纳米厚二氧化硅,100纳米铝和800纳米二氧化硅之间的绝缘层是采用ALD和等离子增强化学汽相淀积(PECVD)所制造。 

      研究人员采用了六角形沟道栅阵列排布方式,将栅宽和晶体管面积的比率增加至0.267/um,达到传统器件排布方式的2倍,进一步减少导通阻抗,MOSFET的电压耐受范围达到从关断的状态0V到1250V。

应用

适用于需要驾驭大功率的场合,如混合动力汽车的功率控制电路、太阳能发电设备中的功率转换器等。

意义

此次进展意味着垂直GaN MOSFET正在接近SiC MOSFET的最佳性能,GaN可在制造更紧凑和更高效功率器件中发挥更大作用。

下一步发展

丰田合成将通过进一步减小器件体积,使导通电阻小于1毫欧每平方厘米(电压仍在1200V);将与半导体和电子器件制造商一起,继续改进电流容量和测试稳定性,争取在2018年~2020年实现商业应用。

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