新型GaN HEMT结构，助力高压电力电子设备小型化

众所周知，GaN可用于制造适用于中低压高速运行的横向HEMT，适用于高压大电流的垂直FET，以及LED和激光器件等光学器件。丰田合成与从事功率器件研究和开发的Powdek（枥木县大山市）合作，开发了一种基于氮化镓 (GaN) 的横向 GaN 功率器件，新器件结构可实现承受 10,000 V 或更高的电压。目前，个人电脑用AC适配器、智能手机用快速充电器等使用GaN器件的超小型产品正在迅速普及。使用开发的技术，可以减小在更高电压下运行的电力电子设备的尺寸和重量，例如应用在电动汽车 (EV) 上的车载充电器 (OBC) 和利用可再生能源不可或缺的功率调节器。

▍耐受电压上限为650V的HEMT有望在更高的耐受电压方面取得突破

目前，越来越多的GaN器件被用于交流转换器的小型化，通常采用HEMT（高电子迁移率晶体管）结构。这是因为可以高速开关的HEMT可以提高功率转换电路的开关频率，并且可以构成采用小电容和线圈的紧凑和轻量级的电源电路。此外，在漏极和源极之间的电流流动路径中没有PN结，因此存在零恢复电荷，这具有提高电源效率的作用。

作为逻辑芯片等中使用的元件的FET是通过向栅电极施加电压来控制沟道区域中的载流子浓度的晶体管。HEMT 也是一种 FET。在像 MOSFET 这样的典型 FET 中，产生载流子的层和移动载流子的层是相同的。然而，载流子的产生需要在半导体材料中加入一定浓度的某些杂质，但载流子在转移过程中会撞到这些杂质，这有阻碍转移和产生噪音的缺点。

相比之下，在HEMT中，添加了杂质的载流子生成层和保持尽可能低的杂质的载流子转移层是单独形成的，以实现高速运行。例如，在GaN HEMT的情况下，形成了AlGaN（载流子生成层）/GaN（载流子转移层）异质结，GaN层一侧界面上的高浓度和高迁移率的二维电子气体（2DEG）被用作电子流动的通道。顺便提一下，在SiC中很难形成有效的异质结， 这使得实现一个能够高速运行的HEMT结构变得很困难。

然而，直到现在，采用HEMT结构的水平GaN功率器件所能达到的击穿电压上限约为650V。这是因为当电压施加到栅极时就会出现电场集中，它可以应用于额定功率为100V或200V的设备，例如AC适配器，但很难将其应用于在高达800V的高电压下充电和放电的电动汽车电池充电器。就物理特性而言，GaN本身具有实现高压应用中开关损耗和功率转换损耗比SiC低的功率器件的潜力。然而，由于不可能引出其真正的潜力，人们希望建立一种技术来实现垂直的GaN FET或提高水平GaN功率器件的击穿电压。

▍GaN/AlGaN/GaN 异质结可控制载流子浓度以实现高耐压

基于HEMT结构，丰田合成通过在栅下结构中引入载流子浓度控制技术的新途径，消除了阻碍横向GaN功率器件应用扩展的击穿电压上限。

具体措施包括：在沟道区形成GaN/AlGaN/GaN异质结。然后，AlGaN 自发极化，在 AlGaN 上的 GaN 界面附近产生二维空穴气体 (2DHG)，在 AlGaN 下方的 GaN 界面附近产生 2DEG（图 2）。该公司将这种结构称为“极化超级结 (PSJ) 结构”。

由于在具有高迁移率的半导体材料中存在高密度 2DEG，因此在栅极下引入 PSJ 结构的新器件可以保持 HEMT 能够进行高速开关操作的特性。此外，2DHG的存在使得实现高击穿电压的器件成为可能。

如前所述，在普通的HEMT结构中，会产生电场集中的区域。相反，在 PSJ 结构的 GaN FET 中，对栅电极施加负偏压可以提取 2DHG 空穴并湮灭 2DEG 电子（图 3）。因此，整个PSJ区被耗尽（没有载流子的状态），栅极和漏极之间的电场强度变得均匀，并且从漏极施加到栅极的电场可以被均匀分布。

因此，电场集中的区域被消除了。通过增加 PSJ 部分的长度（对应于沟道长度），可以增加击穿电压。丰田合成已经与Powdek合作，证明有可能实现超过10,000V的超高击穿电压，而SiC MOSFET和Si IGBT都能做到。

具有PSJ结构的GaN FET在开关过程中需要一定时间拉出2DHG空穴的操作过程，并且不能像一般的HEMT那样实现数GHz的高速运行。因此，它不能用作无线电设备和雷达的功率放大器。但是，可以在几个MHz 下运行。因此，开关频率可以显着高于 SiC MOSFET（上限数百 kHz）和 Si IGBT（几十 kHz），同时实现等于或高于 SiC 器件的击穿电压。这一点具有应用价值。这是因为它有可能带来电力电子设备的巨大发展，例如实现更小更轻的充电器。

此外，PSJ结构的GaN FET还有一个优势。一般的 GaN HEMT 会遇到称为“电流崩塌”的麻烦现象，其中电流由于开关操作而变得难以流动。如果在栅极上形成场板来缓和电场集中，可以在一定程度上抑制，但很难完全消除。在具有PSJ结构的GaN FET中，没有电场集中的区域，因此即使施加极高的电压，也能抑制电流塌陷。丰田合成已经证实了它的有效性。

然而，目前仍然存在一些缺点。由于HEMT被限制在器件表面上电流流动的二维区域内，因此很难应用大电流。就目前的PSJ GaN FET而言，单个器件可处理的功率容量上限约为10 kW。对于处理较大容量功率的电力转换电路的应用，将有必要使用多个器件并联，在一定程度上牺牲了应用设备的小型化效果，或者使用能够在整个设备区域的三维区域内传导电流的垂直器件。因此，最佳应用将通过评估这些特征来确定。

▍到2024年，目标实现耐压1500V以上、电流25A以上的器件

丰田合成用于确认 PSJ 结构 GaN FET 原型特性的外延生长薄膜是在蓝宝石上外延生长的 GaN 层，蓝宝石具有许多晶体缺陷，用于 LED 的制造。通过在几乎没有晶体缺陷的高质量 GaN on GaN 衬底上形成 PSJ 结构，该公司已确认薄层电阻可以降低约 40%，并且可以处理更大的电流。此外，可以将2DEG的迁移率提高约1.5倍，将2DHG的迁移率提高约2倍，功率转换效率也可以得到改善。

目前，丰田合成正在参与环境省的项目“ FY2020　Innovative CO2 Reduction Realization”，其中名古屋大学和 IKS（京都市）参与了电动汽车和建筑物设计和制造的充电和放电系统。丰田合成正在努力在使用具有 PSJ 结构的 GaN FET 的直流微电网中使用的高效通用功率调节器的开发上。作为该项目的一部分，丰田合成基于使用 GaN on GaN 技术制造的高质量 GaN 外延晶片，开发具有 PSJ 结构的 GaN HEMT，可以处理高耐压和大电流。到2024年，实现耐压1500V以上、电流25A以上的装置、最大效率98%以上、轻量化70%以上的功率调节器。

本文来源：日经xtech、芯TIP

原文链接：

https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/column/18/02277/020800005/?P=3