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

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。1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。

2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。