在硅占據主導地位數十年后，兩種較新的材料——碳化硅和氮化鎵——已經開始占領價值數十億美元的市場。例如，碳化硅現在是電動汽車逆變器和充電器的首選半導體。如果大家最近為智能手機或筆記本電腦購買了壁式充電器，那么很可能充電器就采用了氮化鎵。

基于寬禁帶半導體的新型材料具有許多優越的特性，它們正在占據充電器和其他電力電子應用市場。然而寬禁帶技術仍然存在根本性的弱點。對于碳化硅晶體管來說，一個很大的問題是溝道中電子的遷移率相對較低，溝道是器件柵極下方的區域，電流通過該區域在源極和漏極之間流動。這種低遷移率阻礙了SiC晶體管的高速開關。這反過來又限制了它們在交流電和直流電之間轉換等應用中的效率。另一方面，氮化鎵晶體管有一個被稱為“動態導通電阻”的特性，這意味著當器件傳導電流時，器件的電阻取決于電壓——電壓越高意味著導通電阻越高。GaN的另一個問題是，器件的物理尺寸及其成本會隨著其電壓阻斷能力的增加而增加，這對于預計接通和關斷電壓比內部電壓高出許多倍的器件（例如，一臺典型的計算機）來說是一個重大缺陷。

如果可以將GaN和SiC結合在一個器件中，最大限度地減少各自的缺點并最大限度地發揮它們的優勢，會怎么樣？這個問題促使香港科技大學和中國其他三所機構的16名研究人員組成的團隊不斷思考。經過多年努力，他們終于成功制造出一種晶體管，他們稱之為混合場效應晶體管（HyFET）。他們在去年12月于舊金山舉行的IEEE國際電子器件會議上發表的一篇論文中描述了他們的研究成果。

HyFET的掃描電子顯微鏡（SEM）俯視圖[a]，清楚地顯示了器件的柵極和源極。HyFET的橫截面SEM圖像[b]，顯示了頂部的氮化鎵晶體管和下方的碳化硅晶體管。其他SEM圖像顯示了GaN器件的柵極區域[c]以及SiC晶體管的溝道[d和e]。圖源：香港科技大學

未參與該研究的寬禁帶半導體專家們也對這項技術成果印象深刻。康奈爾大學教授兼實驗室負責人、IEEE會士Debdeep Jena表示：“實際上，我對香港陳敬（Kevin Chen）團隊的研究成果感到非常興奮。它有很多優點和前景。”然而，這些專家對該類器件商業前景的看法普遍較為謹慎。

在器件運行中，該器件使用低壓高速GaN晶體管來控制高壓SiC結型場效應晶體管（JFET）。在傳統的SiC JFET中，漏極位于器件底部，連接到襯底。電流垂直流動，由器件頂部的柵極控制，通過“漂移層”到達也在器件頂部的一個或多個源極端子。在HyFET中，基本配置是可以識別的：器件底部有一個漏極，連接到襯底。電流向上流過SiC漂移層。然而，柵極和源極端子位于直接集成在器件頂部SiC JFET上方的GaN晶體管中。因此，流經SiC JFET的電流由器件GaN部分中的柵極和源極端子控制。

這里的優點是，具有高電子遷移率的GaN晶體管控制組合器件的開關。該組合器件建立在SiC JFET的基礎上，具有大漂移區，具有SiC的電壓阻斷能力。測試表明該器件很大程度上滿足了研究人員的期望。他們發現，雖然遷移率不如傳統GaN器件那么高，但它“適合高頻開關”。他們還證明，在“關閉”狀態下，該器件可以阻斷大約600伏的電壓，具體取決于溫度，這對于同類首個實驗器件來說相當不錯。

制造該器件必須克服許多挑戰。其中主要的方法之一是直接在SiC晶體管之上生長GaN晶體管。GaN器件通常在SiC襯底上制造。然而，這些器件是“在軸上”生長的，這意味著它們是逐層生長的，每層都平行于襯底。但SiC器件通常是相對于其襯底晶體晶格的方向離軸生長的。因此，研究人員必須設計出一種在SiC器件上生長GaN晶體管的方法，其離軸或“誤切”為4度。

為此，他們開發了一種稱為雙步雙軸應變釋放的技術。兩種不同半導體之間界面的一個基本問題是在兩種不同晶體合并的邊界處產生的應變。這種應變會在晶格中產生影響性能的缺陷，稱為位錯。研究人員改進和開發的技術通過兩種特定類型的位錯釋放應變，最大限度地減少其有害影響。

HyFET的缺點之一是晶體管處于導通狀態時對電流的阻力。其特定導通電阻（特定Ron）相當高，約為50毫歐姆- cm2。Ron越高意味著整體效率越低。當然，HyFET是在大學實驗室中建造的，是同類產品中的首個。

文章作者兼IEEE會士陳敬（Kevin Chen）在一封電子郵件中寫道：“我們論文中的大Ron來自小型器件……以及SiC部分非常保守的設計。一般來說，利用工業SiC制造設施實現1,200 V HyFET的 3 mΩ?cm2(~2.6) 不存在其他障礙。”

掃描電子圖像顯示，器件[a]的氮化鎵部分中有一個孔或通孔。當填充金屬[c]時，這些通孔變成導電通路，使電流能夠在器件的氮化鎵和碳化硅部分之間流動。用原子力顯微鏡拍攝的圖像[b]顯示了碳化硅層的表面。圖源：香港科技大學

不過，IGBT發明人、IEEE終身會士、北卡羅來納州立大學電氣工程杰出大學教授B. Jayant Baliga指出，作為比較，能夠阻斷超過600伏電壓的最先進的SiC或GaN晶體管的Ron可以低至2 mΩ?cm2。鑒于這些數字，Baliga質疑當更簡單且可能更便宜的SiC晶體管出現時，對商用HyFET的需求會有多大。Baliga問道：“如果比導通電阻沒有降低到碳化硅MOSFET[金屬氧化物半導體FET]以下，那么在需要所有這些層生長的情況下，什么會促使人們轉向更復雜的東西？”

IEEE會士、加州大學圣巴巴拉分校工程學院院長、GaN功率器件先驅Umesh Mishra對將兩種不同半導體集成到單個器件中的優勢（極小的電感延遲和電容損耗）是否值得耗費復雜的制造和其他因素的成本付出存在質疑。他指出，為了制造這樣的器件，公司“現在必須擁有兩種在工廠運行的技術”。“他們必須擁有碳化硅技術和氮化鎵技術。沒有人愿意這樣做，因為你現在有兩種復雜的技術需要同時嘗試運行”——這是一個成本高昂的提議。

Mishra補充道：“實現一些困難的事情總是很難的。那么問題來了，你得到的好處是什么？”Mishra指出，通過簡單地將兩個不同的晶體管連接在一個封裝中，而不是將它們集成到單個混合器件中，就可以以低得多的成本獲得組合器件的大部分優點。

然而，作者陳敬表示，不需要的電子特性，特別是寄生電感的缺點，將影響簡單封裝在一起而不是集成的晶體管。他在電子郵件中寫道：“較低的寄生電感可以最大限度地減少開關振蕩并降低開關損耗，先進的共封裝技術可以在一定程度上降低寄生電感，但可能不如集成器件（批量生產的器件）具有成本效益。”

康奈爾大學的Jena指出，HyFET潛在的難題，尤其在于GaN器件的進步速度。他表示，在可預見的未來，GaN將變得很強大，以至于可能不需要混合方案就能取得勝利。他說：“物理學告訴我，從長遠來看，GaN是贏家”。他總結道，“我不想否定[HyFET]論文的價值。這是一篇很棒的論文。不管他們在這里展示了什么，也不會影響未來氮化鎵的可能。”

來源：IEEE Spectrum

審核編輯：劉清