GaN类功率元件，高耐压成功率半导体主角

。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，该问题越显。

图12：逆变器产生的电磁噪声

　　逆变器会产生电磁噪声（a）。据芝浦工业大学的斋藤研究室介绍，采用GaN类功率元件时，在10MHz以上的高频范围，电磁噪声要比超结构造的Si制MOSFET小（b、c）。（图由本站根据芝浦工业大学和三垦电气的资料制作）

　　GaN类功率元件的这种高频噪声比超结构造的MOSFET“更容易减小”（芝浦工业大学工学部电气工学科讲师斋藤真）。不过，与IGBT相比，“10M～100MHz频带的传导噪声和电磁辐射噪声会增大至10～20dB左右”（斋藤）。

　　因此，斋藤等人试制了在采用1级构成的同时可抑制10MHz以上传导噪声的滤波器电路。增加滤波器电路的级数可抑制高频噪声，但只单纯增加级数的话效率会下降。

　　斋藤等试制的滤波器在采用1级构成的同时，可将高频噪声降至与原来的2级构成滤波器相同的水平（图13）。也就是说，可将10M～100MHz频带产生的电磁噪声降至10dB左右。

图13：改善噪声滤波器，降低高频噪声

　　逆变器为降低电磁噪声采用噪声滤波器（a）。GaN类功率元件由于开关速度快，容易产生10MHz以上的高频噪声。芝浦工业大学的斋藤通过改变逆变器输入侧设置的噪声滤波器的设计，在采用1级滤波器构成的同时，实现了与原来的2级构成滤波器大致相同的噪声抑制性能（b ）。（图由本站根据芝浦工业大学的资料制作）

　　斋藤没有公布详情，不过介绍说是通过改善电容器的配置位置等电路布局，以及改变使用的部件种类实现的。另外，为降低电磁噪声，还在与部件厂商共同开发滤波器使用的新扼流线圈。

　　第三，应对无意识导通现象的对策。GaN类晶体管的阈值电压为＋2V左右，低于Si制晶体管，极有可能在无意识的情况下导通。

例如，驱动3相交流马达的逆变器在某一个相的电路打开时，处于关闭状态的其他相的栅极驱动电路有时会产生尖峰（Spike）电压。Si制功率元件的阈值电压高达＋3V以上，因此通过该