羅姆在“GaN”功率元器件領域的前沿探索

　　GaN功率元器件是指電流流通路徑為GaN的元器件?！癎aN”曾被作為發(fā)光材料進行過研究，現(xiàn)在仍然作為已普及的發(fā)光二極管（LED）照明的核心部件藍色LED用材料廣為使用。同時，還有一種稱為“WBG”的材料，與發(fā)光元件應用幾乎同一時期開始研究在功率元器件上的應用，現(xiàn)已作為高頻功率放大器進入實用階段。

　　GaN與Si和SiC元件的不同之處在于元件的基本“形狀”。圖1為使用GaN的電子元器件的一般構(gòu)造。晶體管有源極、柵極、漏極3個電極，Si和SiC功率元器件稱為“縱向型”，一般結(jié)構(gòu)是源極和柵極在同一面，漏極電極在基板側(cè)。GaN為源極、柵極、漏極所有電極都在同一面的“橫向型”結(jié)構(gòu)。在以產(chǎn)業(yè)化為目的的研究中，幾乎都采用這種橫向型結(jié)構(gòu)。

　　之所以采用橫向型結(jié)構(gòu)，是因為希望將存在于AlGaN/GaN界面的二維電子氣（2DEG）作為電流路徑使用。GaN既是具有自發(fā)電介質(zhì)極化（自發(fā)極化）的晶體，也是給晶體施加壓力即會重新產(chǎn)生壓電極化（極化失真）的壓電材料。AlGaN與GaN在自發(fā)極化存在差別，由于晶格常數(shù)不同，如果形成如圖1中的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)，為了匹配晶格常數(shù)，晶體畸變，還會發(fā)生極化失真。因這種無意中產(chǎn)生的電介質(zhì)極化之差，如圖2所示，GaN的禁帶向AlGaN下方自然彎曲。因此，其彎曲部分產(chǎn)生2DEG。由于這種2DEG具有較高的電子遷移率（1500 cm2/Vs左右），因此可進行非?？斓拈_關動作。但是，其另外一面，相反，由于電子流動的路徑常時存在，因此成為柵極電壓即使為0V電流也會流過的稱為“常開型（normally-on）”的元件。

　　正如之前所提及的，對WBG材料的最大期待是提高耐壓性能。由于SiC基本可以實現(xiàn)與Si相同的縱向型結(jié)構(gòu)，因此發(fā)揮材料特性的耐壓性能得以提升。但是，GaN則情況不同。圖1所示的橫向型結(jié)構(gòu)較難提升耐壓性能，這一點通過Si元件既已明了，只要GaN也采用圖1的結(jié)構(gòu)，物理特性上本應實現(xiàn)的耐壓性能就很難發(fā)揮出來。但是，本來對WBG材料的期待就是耐壓特性，因此，發(fā)布的GaN元器件多為耐壓提升產(chǎn)品。但是，提升耐壓性能的方法基本上只能通過增加柵極/漏極間的距離，而這樣芯片就會增大，芯片增大就意味著成本上升。

　　只要采用圖1的結(jié)構(gòu)，GaN功率元器件的特點不僅是耐壓性能，還有使用２DEG的高速電子遷移率而來的高頻動作性能。因而，GaN晶體管常被稱為GaN-HEMT注7。

　　GaN”功率元器件的特性：確保高頻特性并實現(xiàn)高速動作

　　羅姆開發(fā)的“常開型（normally-on）”型元器件的特性見表2，是柵極寬度為9.6cm的元器件，命名為“HEMT”，可查到的其高頻特性的文獻非常少。起初羅姆以盡量確保高頻特性為目標進行了開發(fā)，結(jié)果表明，羅姆的“常開型（normally-on）”元器件的動態(tài)特性非常優(yōu)異。表中的td（on）、tr、td（off）、tf等特性指標表示高速性能。由于是“常開型（normally-on）”元器件，因此柵極進入負電壓瞬間，元器件關斷，0V時元器件導通。符號表示方法是：柵極電壓信號關斷時（元器件開始向ON移行時）為t = 0，源極/漏極間電壓Vds減少到施加電壓的90%之前的時間為td（on），從90%減少到10%的時間為tr，另外，柵極電壓信號導通時（元器件開始向OFF移行時）為t = 0，Vds增加到施加電壓的10%之間的時間為td（off），從10%增加到90%的時間為tf。

　　在現(xiàn)有的Si功率元器件中，td（on）、tr、td（off）、tf多為幾十 ns～100 ns左右，而在GaN-HEMT中，全部為數(shù)ns左右。假設進行10 MHz、duty50%的脈沖動作，ON/OFF時間僅為50ns，上升下降僅10ns，脈沖的實質(zhì)寬度已達30ns，無法確保矩形的波形。而使用這種元器件則無此問題，10 MHz亦可動作。

　　對于GaN-HEMT來說，棘手的問題是電流崩塌。這是根據(jù)漏極電壓的施加狀態(tài)導通電阻發(fā)生變動的現(xiàn)象?？梢杂^測到使開關頻率變化時導通電阻變動、在Vds導通（ON）時無法完全為0V、關斷（OFF）時無法返回到施加電壓的現(xiàn)象。

　　羅姆的“常開型（normally-on）”元器件使柵極電壓的開關頻率變化時的Vds表現(xiàn)如圖3所示。由于沒有優(yōu)化柵極驅(qū)動器，在10MHz存在duty沒有達到50%的問題，但在這個頻率范圍內(nèi)，沒有發(fā)現(xiàn)引起電流崩塌的趨勢。因此，可以認為，只要解決“常開（normally-on）”這一點，即可證明GaN卓越的高速動作性能。

　　今后：羅姆將積極推進常關型元器件的特性改善并進行應用探索

　　面向GaN元器件的發(fā)展，正因為幾乎所有的應用都是以“常關”為前提設計的，因此“常關化”的推進成為了時下的當務之急。如今羅姆正致力于推進高頻特性卓越的常關型元器件的特性改善，同時也在進行應用探索。為呈現(xiàn)出GaN最閃耀的應用和只有GaN才能實現(xiàn)的應用而加大開發(fā)力度，將不斷帶來全新的技術(shù)體驗。

　?。夹g(shù)語解說＞

　　注1：SJ-MOSFET

　　超級結(jié)MOSFET的縮寫。即超級結(jié)金屬氧化物場效應三極管。

　　注2：SiC

　　Silicon Carbide的縮寫。即碳化硅，是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑為原料通過電阻爐高溫冶煉而成。

　　注3：GaN

　　即氮化鎵，屬第三代半導體材料，六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)。

　　注4：寬禁帶（WBG）半導體

　　寬禁帶半導體材料（Eg大于或等于3.2ev）被稱為第三代半導體材料。主要包括金剛石、SiC、GaN等。

　　注5：IGBT

　　IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅(qū)動式功率半導體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。

　　注6：FRD

　　快速恢復二極管（Fast Recovery Diode，縮寫成FRD），是一種具有開關特性好、反向恢復時間短特點的半導體二極管。

　　注7：HEMT

　　高電子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistor），是一種異質(zhì)結(jié)場效應晶體管，又稱為調(diào)制摻雜場效應晶體管（MODFET）、二維電子氣場效應晶體管（2-DEGFET）、選擇摻雜異質(zhì)結(jié)晶體管 （SDHT）等。這種器件及其集成電路都能夠工作于超高頻（毫米波）、超高速領域。