12月12日，日本國家先進工業科學技術研究所（AIST）宣布，它成功地制造并驗證了混合晶體管的制造和操作，該晶體管將使用GaN的高電子流動性晶體管和使用SiC的PN二極管整體集成在一起。

研究結果由AIST先進電力電子研究中心電力設備團隊高級研究員中島明彥和原田信介領導的研究小組完成。詳情于2021年12月11日至15日在美國舊金山舉行的全球最大的半導體器件和工藝技術國際會議IEDM上公布。

為了實現電子設備的節能，有必要提高各種設備的能效。因此，對于用于轉換和控制此類功率能量的功率轉換器的功率晶體管，還需要進一步的技術創新。

由于功率晶體管用作電力轉換電路中電氣開關，因此"為了實現高效率的功率轉換，在開關接通狀態下減少導通損耗的低導通電阻"、"用于減少開關損耗的導通和截止的高速切換性能"、"在電力轉換電路的異常動作時作為噪聲能量的吸收源的作用" 需要三種性能。

在傳統的Si晶體管中，由于這三種性能據說在材料上幾乎達到了極限，作為下一代半導體材料，GaN和SiC的寬帶隙有望得到利用。然而，傳統的GaN高電子流動性晶體管（GaN晶體管），由于源電極和漏極之間不存在PN結，由于沒有體二極管，因此不適合作為噪聲能量的吸收源。因此，研究人員說，他們的目標是通過在同一基板上形成GaN晶體管和SiC二極管來解決這些問題。

為了實現這一點，需要GaN和SiC的設備原型設計環境，因此，在TIA的開放創新中心"TIA"內，AIST等3個研究機構和東京大學等3所國立大學合作運營的SiC功率器件的100mm原型生產線已經擴大。作為SiC和GaN的共享原型生產線推出，并決定進行混合晶體管的原型設計。作為概念驗證，對小型設備（額定電流約為20mA）進行了原型設計，并成功確認了其運行。

圖：在100mm晶圓上形成的混合晶體管及其等效電路（來源：AIST網站）

混合晶體管，在SiC基板上晶體生長p型SiC外延膜后，通過離子注入形成p+型SiC和n型SiC的二極管結構。在它們上部外延生長GaN外延膜、AlGaN阻擋膜、GaN蓋膜這3個膜外延生長，在制作GaN晶體管結構的流程中單片化的膜上，連接p+型SiC上的陽極電極、AlGaN阻擋層上的源電極，n型SiC上的陰極電極， 據說，它以連接AlGaN阻隔層上的漏極的形式制造。

圖：（上）晶體管的等效電路 (a) Si 類型，(b) GaN 類型，（c）混合類型；（下） Si和GaN晶體管屈服特性的示意圖（右）

此次制造的混合晶體管，通過設計SiC側的耐壓略低于GaN，在SiC二極管中獲得了無損雪崩擊穿，其屈服電壓約為1.2kV。此外，由于獲得無損雪崩投降，對于多次掃描，可以確認穩定的可逆屈服操作。

圖：（左）傳統GaN晶體管的結構（右）這次開發的混合晶體管的結構

另一方面，對于開狀態下的通電特性，由于電流通過高流動性二維電子氣體流動，高漏極電流和47μmm的300mA/mm低導通電阻得到確認。

圖：（a）關閉狀態下的屈服特性; （b） 導通狀態下導通電阻特性的評價結果

此外，SiC的導熱性是Si的三倍，因此具有優異的散熱性能，預計新一代功率轉換器的效率和可靠性將得到提高。

研究人員計劃在未來對可用于實際轉換器的大面積器件（額定值10A或更高）進行操作驗證，除了成功的混合晶體管外，SiC和GaN的融合技術有望帶來許多可能性，從而有助于從概念驗證到大規模生產原型的橋梁， 我們還希望積極探索企業聯合研究。

來源：本文編譯自mynavi，謝謝。