作为NEDO"战略性节能技术创新计划"的一部分，正在进行"β-Ga2O3肖特基势垒二极管产品化开发"的NCT成功验证了氧化镓（β-Ga2O3）肖特基势垒二极管（SBD）在实际中的运行。将正在开发的耐压1200 V的β-Ga2O3 SBD在电流连续型PFC（力率改进）电路中进行了评估。结果证实电路可以正常工作，输出电压为390V，输出功率为350W，具有高输出功率。这是首次通过实际运行验证的高输出功率。此外，NCT还比较了在此应用中广泛使用的硅（Si）制快速恢复二极管（Si FRD）和β-Ga2O3 SBD的电力转换效率，结果显示β-Ga2O3 SBD的效率提高了1％，这也证实了其优秀的节能性能。这次实际操作是β-Ga2O3 SBD在中耐压（600-1200V）下被用于功率电子设备的一个重要实例。
该成果表明，β-Ga2O3功率器件有望促进太阳能发电用电力调节器、工业用通用逆变器、电源等功率电子设备的高效小型化，并对汽车电气化和飞行汽车等电能利用效率做出贡献。目标在2030年实现日本的节能效果为10万kL/年（以原油计算）。
表 功率转换效率的比较结果
一、概要
近年来，碳化硅（SiC）※1和氮化镓（GaN）※2作为超越硅（Si）半导体性能的新材料正在被广泛研究。而氧化镓（β-Ga2O3）※3拥有比这些材料更出色的材料物性，并且可以通过“熔体生长法”制造高品质的单晶衬底，成本也较低。由于这些特点，如果能实用化β-Ga2O3功率器件※4，那么家用电器、电动汽车、铁路车辆、工业设备、太阳能发电、风力发电等功率电子设备的更低损耗和更低成本将成为可能，因此国内外的企业和研究机构正在加速研究开发。
株式会社Novel Crystal Technology自2020年至2022年参与了NEDO（日本新能源产业技术综合开发机构）的“战略性节能技术革新计划※5/β-Ga2O3肖特基势垒二极管的产品化开发”项目，致力于β-Ga2O3肖特基势垒二极管（SBD）※6的产品化开发。在该项目中，已经持续取得了重大成果，例如β-Ga2O3 100 mm外延片的高品质化※7和安培级、1200V耐压的β-Ga2O3 SBD的开发※8等。本次，为了实现β-Ga2O3 SBD的实际应用，使用正在开发中的β-Ga2O3 SBD搭载电流连续型PFC（功率因数改善）电路※9，并进行了评价。结果，成功实现了电路输出电压为390V，输出功率为350W的高功率运行的验证。这是首次在高功率下进行了实机运行的验证。
此外，与广泛用于此用途的Si制快速恢复二极管（Si FRD）※10进行了功率转换效率的比较，结果得出了1%的效率提升，证实了其在节能性方面的显著优越性。通过这次实际机器运行的验证，预计今后将采用中耐压（600-1200V）的β-Ga2O3 SBD在电力电子设备中使用。
二、成果展示
展示高功率电源的电流连续运行
此次新开发的β-Ga2O3 SBD（图1）搭载在高功率（350W）电源的PFC电路中（图2），并且进行电流持续运行实验验证。图3展示了β-Ga2O3 SBD与Si FRD的电流ICA（蓝线）和电压VCA（红线）随时间变化的情况。图中纵轴上的一格为2A的电流和100V的电压。从图3中二极管的电压波形可以看出，在反方向上施加了390V的电压。随后，当电压从反向切换到正向时，二极管正向流动的电流波形ICA呈台形波状※11，最大电流为8A，证实了连续电流运行。图4展示了β-Ga2O3 SBD和Si FRD的反向恢复特性※12。红线（VCA）表示施加在二极管上的电压，蓝线（ICA）表示二极管中的电流。两个图表的中心向左看，β-Ga2O3 SBD和Si FRD表示在正向施加电压时流过的电流。右侧中央显示了当电压从正向切换到反向时，电流流动受到限制的情况。可以确认β-Ga2O3 SBD的反向恢复电流大幅被抑制，相比Si FRD有所改善。在进行这些操作验证后，比较了电路的输出功率与输入功率的比率（功率转换效率），确认β-Ga2O3 SBD的效率比Si FRD提高了1%（表）。
图1 开发的β-Ga2O3 SBD封装的照片
图2 评估用电源的PFC电路图和β-Ga2O3 SBD搭载点
图3 电源电路的工作波形 (a)使用β-Ga2O3 SBD (b) 使用Si FRD
图4 反向恢复特性 (a)使用β-Ga2O3 SBD (b) 使用Si FRD
三、今后目标
NCT将着手在一条4英寸晶圆生产线上为新开发的β-Ga2O3 SBD确立制造工艺，同时计划开发采用沟槽结构的下一代β-Ga2O3 SBD，以实现更高的性能。此外，还将利用这一开发成果，进行反型MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）晶体管※13的研究和开发。
通过此次成果，β-Ga2O3功率器件可望对太阳能电力调节器、工业通用逆变器、电源等功率电子设备的高效率化和小型化，以及汽车电动化和飞行汽车等电能的有效利用做出贡献。从β-Ga2O3 SBDs在工业通用逆变器和电源中的广泛使用开始，通过各种功率电子设备的推广，以降低消耗电力为目的，将目标定为在日本实现2030年的节能效果为10万kL/年（以原油计算）。
1 碳化硅（SiC）
硅和碳的化合物，是宽带隙半导体之一。
2 氮化镓（GaN）
镓和氮的化合物，是宽带隙半导体之一。
3 氧化镓（β-Ga2O3）
镓和氧的化合物，是宽带隙半导体之一。
4 β-Ga2O3功率器件
能够控制高电压和大电流的半导体元件，用于电源转换设备，如逆变器。
5 战略性节能技术革新计划
概要：
https://www.nedo.go.jp/activities/ZZJP_100039.html
6 肖特基势垒二极管（SBD）
利用了肖特基结的整流特性，当半导体和金属结合在一起时，电流只流向一个方向。与PN结二极管相比，肖特基结二极管具有开关损耗低的优点。
7 β-Ga2O3 100 mm外延片的高品质化
参考：NCT发布（2022年3月14日），‘成功开发第三代氧化镓100mm外延片，kill缺陷减少到传统晶圆的十分之一’。https://www.novelcrystal.co.jp/2022/3340/。
8 安培级、1200伏耐压的β-Ga2O3 SBD的开发
参考：NCT发布（2021年12月24日）‘世界上第一个安培级、1200V击穿电压的'氧化镓肖特基势垒二极管'的开发’。https://www.novelcrystal.co.jp/2021/2984/
9 电流连续型PFC（功率因数改善）电路
用于降低300W或以上的电源电路中的线圈峰值电流和小型化。
※10 快速恢复二极管（Si FRD）
使用硅半导体的PN结二极管，通过重金属扩散减少正向和反向传导之间的切换时间。
11 台形波状
在电流连续电路中的典型电流波形。在电流不连续的电路中，该波形是一个三角形的波形。
12 反向恢复特性
当应用于二极管的电压从正向切换到反向时，电流和电压随时间变化的现象。
※13 反型MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）晶体管
通过离子注入两种类型的杂质，形成N型层和P型（高阻）层，分两次在所需区域内形成MOS晶体管。在反型层中，当在栅极上施加正电压时，绝缘膜/P型（高阻）层界面上聚集，并通过电流。
文章由NCT提供，联盟编译整理