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GaN类功率元件将达到实用化，成本与硅元件相当 |
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| http://cn.newmaker.com
9/28/2009 7:53:00 PM
日经BP社
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作为继硅之后的新一代功率半导体，GaN类功率半导体元件（以下简称GaN类功率元件）和SiC都曾备受期待。虽然GaN类功率半导体元件在实用化方面落后于SiC，但将于2011年投入市场。富士通将在该公司服务器的电源开关元件中采用GaN类晶体管。富士通以前曾多次在学会发表有关GaN类功率元件的开发情况，但明确公布具体用途和投产时间还是第一次。
GaN类功率元件能够抑制导通损耗和开关损耗，因此应用于电源电路时，能够大幅减少电力损耗。但由于在成本和电气特性等方面还存在课题，因此晶体管的实用化一直没有结果。
此次，情况有了巨大改观。因为出现了准备把GaN类晶体管作为一项业务的厂商。首先，富士通研究所计划到2011年下半年，将GaN类HEMT和肖特基二极管（SBD）提高到能够配备于电源电路的水平。计划2012～2013年开始量产 注1）。将供货常闭型GaN类HEMT，首先应用于富士通的服务器电源装置，然后扩展到笔记本电脑的AC适配器。据富士通研究所估算，服务器的电源电路使用GaN类HEMT与使用硅晶体管相比，电力损耗可降至约1/3（图1）。
图1：将服务器电源的电力损耗降至1/3以下 据富士通研究所估算，通过将服务器电源装置使用的晶体管由原来的硅元件换成GaN类HEMT，可使电源装置的电力损耗降至原来的约1/3以下。
古河电气工业和富士电机先端技术的研究小组也以2011年度内实现实用化为目的，成立了技术研究协会“新一代功率元件技术研究协会”。
采用Si底板，能以低成本制造
GaN类功率元件之所以突然进入实用化阶段，是因为降低制造成本和改善特性问题有了眉目（图2）。
图2：易用性与硅功率元件相当富士通研究所的GaN类HEMT导通电压为＋3V，与现行硅元件相同（a）。漏电流密度为829mA/mm，超过实用水平600mA/mm（b）。主要通过在栅极电极部分下功夫而实现（c）。（图：本站根据富士通研究所的资料制成）
之所以能够降低成本，是因为能够使用Si底板和SiC底板等比GaN底板便宜的异种底板（表1）。在GaN底板上制造GaN类功率元件，虽然能够获得很好的电气性能等，但由于GaN底板的价格高达数十万日元，难以降低元件价格。这个价位相当于Si底板价格的100倍左右。另外，GaN晶圆的直径只有2英寸，难以降低制造成本。如果能用Si底板取代GaN底板，就可以避免这一问题。因为不仅便宜，还能使用直径为6英寸的底板。 
除Si底板外，还能采用SiC底板低成本制造GaN类功率元件。可利用最大的直径为4英寸，虽然底板价格取决于品质和晶圆直径，不过总体上比GaN要便宜。富士通研究所表示，考虑到元件的成品率等，采用SiC底板制造可能比Si底板更便宜 注2）。
一般而言，使GaN系半导体在Si底板和SiC底板等异种底板上生长结晶并不容易。因为线膨张系数及晶格常数等与GaN不同，容易产生结晶缺陷。富士通研究所等指出，通过在异种底板和GaN类半导体之间设置缓冲层，能够克服这一问题。事实上，其他公司已用过类似方法，比如，采用Si底板制造LED产品。
GaN类功率元件在特性方面较大的改善点是使导通电压（导通电压）与现有硅晶体管相当，达到＋3V左右。电源电路在停止运行时不会使电路处于电开放状态，基本上需要常闭工作。另外，过去导通电压在实际使用中曾被要求与硅晶体管保持一致 注3）。
富士通研究所开发的GaN类HEMT通过采用SiC底板，并改善栅极结构等，将导通电压由原来的＋0.5V提高到了＋3V。古河电气工业也已试制出导通电压为＋2.8V的Si底板的GaN类晶体管。
GaN和SiC区分使用
GaN类功率元件根据耐压与SiC区分使用。耐压600V以下的低～中耐压产品采用GaN，耐压600V以上的中～高耐压产品采用SiC。2011年以后将出现的GaN类功率元件的最大耐压也将只有600V左右。另一方面，SiC将以超过600～1000V的中～高耐压产品为主。（记者：根津 祯）
注1） GaN类功率元件的制造和销售不是由富士通研究所进行，而是由富士通的下属公司或授权的其他公司进行。
注2） 不过，正在研究采用SiC底板还是Si底板。此外，GaN类功率元件能够比Si元件大幅提高电流密度。总之，很小的芯片面积即可得到相同的电流容量。因此，通过增加1块底板能够制造的GaN类功率元件数量，来降低成本。比如，富士通研究所开发品的漏电流密度为829mA/mm，提高到了硅晶体管的约20倍以上。
注3） GaN类晶体管中也有常闭型产品，不过导通电压大多不是＋3V左右。还试制出了导通电压为＋3V的元件，是采用GaN底板的纵型元件。
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