新日本無線公司與山梨大學研究生院綜合研究部的矢野浩司教授合作，成功開發出了集電極區採用超結（SJ）結構的硅雙極電晶體（以下稱SJ-BJT）。利用該技術有望進一步實施電流開關器的小型化和低損耗化，可以爲將來實施節能社會和低碳社會做貢獻。
開發背景
採用功率半導體元件的電流開關裝置（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，尤其是導電的狀態下的電阻（導電的電阻）。SSR目前主要使用的閘流體、三端雙向可控硅開關元件和MOS場效電晶體（MOSFET）等功率半導體元件的性能逐漸接近心極限，需要開發新型低損耗功率半導體元件。
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，實施了低導電的電阻和高電流等比增大率。
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，超結技術爲週期性交替配置n型半導體區域和p型半導體結構，能同時實施功率半導體的高耐壓和低導電的電阻。該技術此前主要用於SJ-MOSFET，降低了SJ-MOSFET的導電的電阻。此次，透過將該技術用於硅雙極電晶體，並結合超結結構和電洞注入效應，在實施高耐壓的同時，降低了導電的電阻，提高了電流等比增大率。
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，還會在導電的狀態下經由超結的p型區域從基極向超結的n型區域有效注入電洞（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）的電導調變現象，可以在降低導電的電阻的同時，提高電流等比增大率。另外，以往的IGBT、閘流體和三端雙向可控硅開關元件採用透過集電極側（或者陽極側）的p型區域注入電洞的結構，因此要想導電的元件，至少需要0.7V以上的導電的電壓，而SJ-BJT透過基極注入電洞，因此能以低集電極電壓導電的，原理上可以降低導電的電阻。
圖3：SJ-BJT的工作原理
表1：此次開發的硅SJ-BJT在室溫下的代表性特性
論文資訊
題目：First Demonstration of Si Superjunction BJT with Ultra-High Current Gain and Low ON-resistance
期刊：IEEE Xplore
DOI：10.1109/ISPSD46842.2020.9170099
文：JST客觀日本編輯部
