作為NEDO"戰(zhàn)略性節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃"的一部分，正在進(jìn)行"β-Ga2O3肖特基勢(shì)壘二極管產(chǎn)品化開(kāi)發(fā)"的NCT成功驗(yàn)證了氧化鎵（β-Ga2O3）肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）在實(shí)際中的運(yùn)行。將正在開(kāi)發(fā)的耐壓1200 V的β-Ga2O3 SBD在電流連續(xù)型PFC（力率改進(jìn)）電路中進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果證實(shí)電路可以正常工作，輸出電壓為390V，輸出功率為350W，具有高輸出功率。這是首次通過(guò)實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證的高輸出功率。此外，NCT還比較了在此應(yīng)用中廣泛使用的硅（Si）制快速恢復(fù)二極管（Si FRD）和β-Ga2O3 SBD的電力轉(zhuǎn)換效率，結(jié)果顯示β-Ga2O3 SBD的效率提高了1％，這也證實(shí)了其優(yōu)秀的節(jié)能性能。這次實(shí)際操作是β-Ga2O3 SBD在中耐壓（600-1200V）下被用于功率電子設(shè)備的一個(gè)重要實(shí)例。

該成果表明，β-Ga2O3功率器件有望促進(jìn)太陽(yáng)能發(fā)電用電力調(diào)節(jié)器、工業(yè)用通用逆變器、電源等功率電子設(shè)備的高效小型化，并對(duì)汽車(chē)電氣化和飛行汽車(chē)等電能利用效率做出貢獻(xiàn)。目標(biāo)在2030年實(shí)現(xiàn)日本的節(jié)能效果為10萬(wàn)kL/年（以原油計(jì)算）。

表 功率轉(zhuǎn)換效率的比較結(jié)果

一、概要

近年來(lái)，碳化硅（SiC）※1和氮化鎵（GaN）※2作為超越硅（Si）半導(dǎo)體性能的新材料正在被廣泛研究。而氧化鎵（β-Ga2O3）※3擁有比這些材料更出色的材料物性，并且可以通過(guò)“熔體生長(zhǎng)法”制造高品質(zhì)的單晶襯底，成本也較低。由于這些特點(diǎn)，如果能實(shí)用化β-Ga2O3功率器件※4，那么家用電器、電動(dòng)汽車(chē)、鐵路車(chē)輛、工業(yè)設(shè)備、太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等功率電子設(shè)備的更低損耗和更低成本將成為可能，因此國(guó)內(nèi)外的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)正在加速研究開(kāi)發(fā)。

株式會(huì)社Novel Crystal Technology自2020年至2022年參與了NEDO（日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)）的“戰(zhàn)略性節(jié)能技術(shù)革新計(jì)劃※5/β-Ga2O3肖特基勢(shì)壘二極管的產(chǎn)品化開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目，致力于β-Ga2O3肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）※6的產(chǎn)品化開(kāi)發(fā)。在該項(xiàng)目中，已經(jīng)持續(xù)取得了重大成果，例如β-Ga2O3 100 mm外延片的高品質(zhì)化※7和安培級(jí)、1200V耐壓的β-Ga2O3 SBD的開(kāi)發(fā)※8等。本次，為了實(shí)現(xiàn)β-Ga2O3 SBD的實(shí)際應(yīng)用，使用正在開(kāi)發(fā)中的β-Ga2O3 SBD搭載電流連續(xù)型PFC（功率因數(shù)改善）電路※9，并進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果，成功實(shí)現(xiàn)了電路輸出電壓為390V，輸出功率為350W的高功率運(yùn)行的驗(yàn)證。這是首次在高功率下進(jìn)行了實(shí)機(jī)運(yùn)行的驗(yàn)證。

此外，與廣泛用于此用途的Si制快速恢復(fù)二極管（Si FRD）※10進(jìn)行了功率轉(zhuǎn)換效率的比較，結(jié)果得出了1%的效率提升，證實(shí)了其在節(jié)能性方面的顯著優(yōu)越性。通過(guò)這次實(shí)際機(jī)器運(yùn)行的驗(yàn)證，預(yù)計(jì)今后將采用中耐壓（600-1200V）的β-Ga2O3 SBD在電力電子設(shè)備中使用。

二、成果展示

展示高功率電源的電流連續(xù)運(yùn)行

此次新開(kāi)發(fā)的β-Ga2O3 SBD（圖1）搭載在高功率（350W）電源的PFC電路中（圖2），并且進(jìn)行電流持續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖3展示了β-Ga2O3 SBD與Si FRD的電流ICA（藍(lán)線）和電壓VCA（紅線）隨時(shí)間變化的情況。圖中縱軸上的一格為2A的電流和100V的電壓。從圖3中二極管的電壓波形可以看出，在反方向上施加了390V的電壓。隨后，當(dāng)電壓從反向切換到正向時(shí)，二極管正向流動(dòng)的電流波形ICA呈臺(tái)形波狀※11，最大電流為8A，證實(shí)了連續(xù)電流運(yùn)行。圖4展示了β-Ga2O3 SBD和Si FRD的反向恢復(fù)特性※12。紅線（VCA）表示施加在二極管上的電壓，藍(lán)線（ICA）表示二極管中的電流。兩個(gè)圖表的中心向左看，β-Ga2O3 SBD和Si FRD表示在正向施加電壓時(shí)流過(guò)的電流。右側(cè)中央顯示了當(dāng)電壓從正向切換到反向時(shí)，電流流動(dòng)受到限制的情況?？梢源_認(rèn)β-Ga2O3 SBD的反向恢復(fù)電流大幅被抑制，相比Si FRD有所改善。在進(jìn)行這些操作驗(yàn)證后，比較了電路的輸出功率與輸入功率的比率（功率轉(zhuǎn)換效率），確認(rèn)β-Ga2O3 SBD的效率比Si FRD提高了1%（表）。

圖1 開(kāi)發(fā)的β-Ga2O3 SBD封裝的照片

圖2 評(píng)估用電源的PFC電路圖和β-Ga2O3 SBD搭載點(diǎn)

圖3 電源電路的工作波形  (a)使用β-Ga2O3 SBD  (b) 使用Si FRD

圖4 反向恢復(fù)特性 (a)使用β-Ga2O3 SBD  (b) 使用Si FRD

三、今后目標(biāo)

NCT將著手在一條4英寸晶圓生產(chǎn)線上為新開(kāi)發(fā)的β-Ga2O3 SBD確立制造工藝，同時(shí)計(jì)劃開(kāi)發(fā)采用溝槽結(jié)構(gòu)的下一代β-Ga2O3 SBD，以實(shí)現(xiàn)更高的性能。此外，還將利用這一開(kāi)發(fā)成果，進(jìn)行反型MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）晶體管※13的研究和開(kāi)發(fā)。

通過(guò)此次成果，β-Ga2O3功率器件可望對(duì)太陽(yáng)能電力調(diào)節(jié)器、工業(yè)通用逆變器、電源等功率電子設(shè)備的高效率化和小型化，以及汽車(chē)電動(dòng)化和飛行汽車(chē)等電能的有效利用做出貢獻(xiàn)。從β-Ga2O3 SBDs在工業(yè)通用逆變器和電源中的廣泛使用開(kāi)始，通過(guò)各種功率電子設(shè)備的推廣，以降低消耗電力為目的，將目標(biāo)定為在日本實(shí)現(xiàn)2030年的節(jié)能效果為10萬(wàn)kL/年（以原油計(jì)算）。 

1 碳化硅（SiC）

硅和碳的化合物，是寬帶隙半導(dǎo)體之一。

2 氮化鎵（GaN）

鎵和氮的化合物，是寬帶隙半導(dǎo)體之一。

3 氧化鎵（β-Ga2O3）

鎵和氧的化合物，是寬帶隙半導(dǎo)體之一。

4 β-Ga2O3功率器件

能夠控制高電壓和大電流的半導(dǎo)體元件，用于電源轉(zhuǎn)換設(shè)備，如逆變器。

5 戰(zhàn)略性節(jié)能技術(shù)革新計(jì)劃

概要：

https://www.nedo.go.jp/activities/ZZJP_100039.html

6 肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）

利用了肖特基結(jié)的整流特性，當(dāng)半導(dǎo)體和金屬結(jié)合在一起時(shí)，電流只流向一個(gè)方向。與PN結(jié)二極管相比，肖特基結(jié)二極管具有開(kāi)關(guān)損耗低的優(yōu)點(diǎn)。

7 β-Ga2O3 100 mm外延片的高品質(zhì)化

參考：NCT發(fā)布（2022年3月14日），‘成功開(kāi)發(fā)第三代氧化鎵100mm外延片，kill缺陷減少到傳統(tǒng)晶圓的十分之一’。https://www.novelcrystal.co.jp/2022/3340/。

8 安培級(jí)、1200伏耐壓的β-Ga2O3 SBD的開(kāi)發(fā)

參考：NCT發(fā)布（2021年12月24日）‘世界上第一個(gè)安培級(jí)、1200V擊穿電壓的'氧化鎵肖特基勢(shì)壘二極管'的開(kāi)發(fā)’。https://www.novelcrystal.co.jp/2021/2984/

9 電流連續(xù)型PFC（功率因數(shù)改善）電路

用于降低300W或以上的電源電路中的線圈峰值電流和小型化。

※10 快速恢復(fù)二極管（Si FRD）

使用硅半導(dǎo)體的PN結(jié)二極管，通過(guò)重金屬擴(kuò)散減少正向和反向傳導(dǎo)之間的切換時(shí)間。

11 臺(tái)形波狀

在電流連續(xù)電路中的典型電流波形。在電流不連續(xù)的電路中，該波形是一個(gè)三角形的波形。

12 反向恢復(fù)特性

當(dāng)應(yīng)用于二極管的電壓從正向切換到反向時(shí)，電流和電壓隨時(shí)間變化的現(xiàn)象。

※13 反型MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）晶體管

通過(guò)離子注入兩種類型的雜質(zhì)，形成N型層和P型（高阻）層，分兩次在所需區(qū)域內(nèi)形成MOS晶體管。在反型層中，當(dāng)在柵極上施加正電壓時(shí)，絕緣膜/P型（高阻）層界面上聚集，并通過(guò)電流。

文章由NCT提供，聯(lián)盟編譯整理