開發背景

採用功率半導體器件的電流開關裝置（固態繼電器，以下稱SSR）廣泛應用於家電產品和工業設備等領域。今後，要想推進SSR的小型化和節能化，必須降低功率半導體的損耗，尤其是導通狀態下的電阻（導通電阻）。SSR目前主要使用的晶閘管、三端雙向可控矽開關元件和MOS場效應晶體管（MOSFET）等功率半導體器件的性能逐漸接近極限，需要開發新型低損耗功率半導體器件。

開發成果

研究團隊採用常規超結MOSFET（SJ-MOSFET）使用的超結技術，全球首次製作出了SJ-BJT（圖1），在保持高耐壓的同時，實現了低導通電阻和高電流放大率。

圖1：安裝在TO-247上的SJ-BJT

圖2是此次開發的SJ-BJT截面結構。如該圖所示，超結技術為周期性交替配置n型半導體區域和p型半導體結構，能同時實現功率半導體的高耐壓和低導通電阻。該技術此前主要用於SJ-MOSFET，降低了SJ-MOSFET的導通電阻。此次，通過將該技術用於矽雙極晶體管，並結合超結結構和空穴注入效應，在實現高耐壓的同時，降低了導通電阻，提高了電流放大率。

圖2：SJ-BJT的截面結構

在SJ-BJT的工作中，不僅是常規的超結結構的工作，如圖3所示，還會在導通狀態下經由超結的p型區域從基極向超結的n型區域有效注入空穴（圖中紅線），這是SJ-BJT的一大特點。該效應會引起促進電子電流（圖中藍線）的電導率調製現象，可以在降低導通電阻的同時，提高電流放大率。另外，以往的IGBT、晶閘管和三端雙向可控矽開關元件採用通過集電極側（或者陽極側）的p型區域注入空穴的結構，因此要想導通元件，至少需要0.7V以上的導通電壓，而SJ-BJT通過基極注入空穴，因此能以低集電極電壓導通，原理上可以降低導通電阻。

圖3：SJ-BJT的工作原理

表1：此次開發的矽SJ-BJT在室溫下的代表性特性

論文信息
題目：First Demonstration of Si Superjunction BJT with Ultra-High Current Gain and Low ON-resistance