采用Si基板降低成本，通过改变构造改善特性

　　那么，GaN类功率元件的成本、电气特性以及周边技术方面存在的课题是如何解决的呢?

　　首先，有望降低成本是因为可以利用价格低且口径大的5～6英寸Si基板。Si基板与蓝宝石基板、SiC基板和GaN基板相比，口径大而且单位面积的价格低。如果能利用大口径基板，便可通过大型化提高生产效率，因此有望降低成本。

　　如果是耐压为数十V的产品，将基板上积层的外延层与基板组合，成本“可降至3美元/cm2以下”(IR)。中～高耐压产品也计划实现相同的制造成本，但仍比Si制功率元件高。

　　因此，涉足GaN类功率元件业务的企业的目标是，通过使用8英寸基板或减薄外延层进一步降低成本(图6)。

图6：通过扩大基板口径、减薄缓冲层进一步降低价格

　　目前，通过使用口径为5～6英寸的Si基板，可削减一定的成本。今后，将通过利用大口径基板，提高生产时的吞吐量以及减薄缓冲层的厚度，以进一步降低成本。

　　减薄缓冲层

　　推动GaN类功率元件成本降低的另一个改善点是缓冲层的薄型化。设置缓冲层是为了吸收积层的GaN类半导体与Si之间的晶格常数和热膨胀系数差异，防止产生裂缝等结晶缺陷。不过，该缓冲层的生长需要花费时间。因为层数多且厚。GaN类半导体各层的厚度为nm级，而缓冲层为数μm。

　　目前有很多企业在继续研发减少缓冲层多层膜层数或减薄缓冲层整体厚度的方法。在参与研发的技术人员中，有人认为，通过薄型化，“可实现与Si制功率元件相同的价格”。

　　改善电气特性

　　GaN类功率元件与Si制功率元件相比处于下风的电气特性方面的课题也得到了大幅改善(图7)。

图7：特性有望提高

　　在Si基板上制作的GaN类功率元件存在的电气特性课题正在逐步改善。将普遍进行常闭工作，不久还将推出耐压600V的产品。运行后导通电阻上升的电流崩塌课题也在逐步解决。

　　GaN类功率元件电气特性方面的课题是指：第一，即使不向晶体管的栅极加载电压也会导通的“常开工作”。原因在于GaN类功率元件内的“二维电子气(2DEG)”。但电源电路、尤其是需要600V以上耐压功率元件的大电力电源电路非常重视安全性，要求实现只要不加载栅极正向电压就不导通的“常闭工作”。

　　因此，参与GaN类功率元件开发的企业分别采取不同的方法实现了常闭化。目前，虽然阈值电压比Si制IGBT和MOSFET低，但大多数GaN类晶体管均可在+1～2V左右的阈值电压下实现常闭工作注2)。

　　注2)有观点认为，即使阈值电压只有+2V左右也没问题。Si制功率元件的阈值电压为+3V 左右，这是“为了确保在将近150 ℃的高温下阈值电压也能超过+1V”(EPC社)。如果是GaN类功率元件，“在将近150℃的高温下阈值也不会大幅变化，能确保+1V以上”(该公司)。

　　常闭化方法中最普遍的方法是在栅极正下方挖掘沟道使AlGaN层局部变薄的“沟槽”法(图8)。具有外延生长比较容易的优点。

图8：实现常闭化的方法多种多样

　　实现常闭化有多种方法。具有代表性的是在栅极正下方挖掘沟槽的方法、设置覆盖层的方法以及设置栅极绝缘膜的方法。每种方法各有利弊，因此有时还会组合使用多种方法来实现常闭化。

GaN类功率半导体能否成为新一代功率半导体的主角？(上)