“功率半導(dǎo)體”多被用于轉(zhuǎn)換器及逆變器等電力轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電力控制。目前，功率半導(dǎo)體材料正迎來材料更新?lián)Q代，這些新材料就是SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵），二者的物理特性均優(yōu)于現(xiàn)在使用的Si（硅），作為“節(jié)能王牌”受到了電力公司、汽車廠商和電子廠商等的極大期待。將Si換成GaN或SiC等化合物半導(dǎo)體，可大幅提高產(chǎn)品效率并縮小尺寸，這是Si功率半導(dǎo)體元件（以下簡稱功率元件）無法實現(xiàn)的。

　　目前，很多領(lǐng)域都將Si二極管、MOSFET及IGBT（絕緣柵雙極晶體管）等晶體管用作功率元件，比如供電系統(tǒng)、電力機(jī)車、混合動力汽車、工廠內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備、光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)器、空調(diào)等白色家電、服務(wù)器及個人電腦等。這些領(lǐng)域利用的功率元件的材料也許不久就將被GaN和SiC所替代。

　　例如，SiC已開始用于鐵路車輛用馬達(dá)的逆變器裝置以及空調(diào)等。

　　電能損失可降低50％以上

　　利用以GaN和SiC為材料的功率元件之所以能降低電能損失，是因為可以降低導(dǎo)通時的損失和開關(guān)損失。比如，逆變器采用二極管和晶體管作為功率元件，僅將二極管材料由Si換成SiC，逆變器的電能損失就可以降低15～30％左右，如果晶體管材料也換成SiC，則電能損失可降低一半以上。

　　有助于產(chǎn)品實現(xiàn)小型化

　　電能損失降低，發(fā)熱量就會相應(yīng)減少，因此可實現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換器的小型化。利用GaN和SiC制作的功率元件具備兩個能使電力轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)小型化的特性：可進(jìn)行高速開關(guān)動作和耐熱性較高。

　　GaN和SiC功率元件能以Si功率元件數(shù)倍的速度進(jìn)行開關(guān)。開關(guān)頻率越高，電感器等構(gòu)成電力轉(zhuǎn)換器的部件就越容易實現(xiàn)小型化。

　　耐熱性方面，Si功率元件在200℃就達(dá)到了極限，而GaN和SiC功率元件均能在溫度更高的環(huán)境下工作，這樣就可以縮小或者省去電力轉(zhuǎn)換器的冷卻機(jī)構(gòu)。

　　這些優(yōu)點(diǎn)源于GaN和SiC具備的物理特性。與Si相比，二者均具備擊穿電壓高、帶隙寬、導(dǎo)熱率高、電子飽和速率高、載流子遷移率高等特點(diǎn)。

　　SiC二極管率先實用化

　　在GaN和SiC功率元件中，率先產(chǎn)品化的是SiC。尤其是SiC二極管的利用今后似會迅猛增加。

　　除了2001年最初實現(xiàn)SiC二極管產(chǎn)品化的德國英飛凌科技外，美國科銳和意法合資公司意法半導(dǎo)體等廠商也已經(jīng)推出了產(chǎn)品。在日本，羅姆、新日本無線及瑞薩電子等投產(chǎn)了SiC二極管。很多企業(yè)在開發(fā)肖特基勢壘二極管（SBD），科銳等部分企業(yè)還推出了組合肖特基結(jié)和pn結(jié)的“JBS（junction barrier schottky）構(gòu)造”二極管。

　　基板供求情況好轉(zhuǎn)

　　從事SiC二極管的企業(yè)之所以增加，是由于制作功率元件不可缺少的SiC基板的供應(yīng)狀況有了好轉(zhuǎn)。比如，結(jié)晶缺陷減少使得SiC基板質(zhì)量提高，而且基板的大口徑化也有了進(jìn)展?？趶綖?英寸的產(chǎn)品正逐漸成為主流。2012年還將開始樣品供貨6英寸產(chǎn)品，2013年似將有望開始量產(chǎn)。

　　另外，基板廠商的增加引發(fā)了價格競爭，基板比以前便宜了。從事外延基板（層疊外延層）廠商的增加也降低了涉足SiC二極管業(yè)務(wù)的門檻。

　　除了SiC基板的供應(yīng)狀況好轉(zhuǎn)外，功率Si二極管“與Si晶體管相比，性能提高的余地比較小”（熟知功率元件的技術(shù)人員），這也促使用戶使用SiC二極管。

　　有觀點(diǎn)認(rèn)為，Si二極管雖然構(gòu)造簡單，但相應(yīng)地“性能的提高在日益接近極限，用SiC來取代Si的趨勢今后可能會增加”（上述技術(shù)人員）。

　　SiC制MOSFET的普及將從溝道型產(chǎn)品開始

　　功率元件用SiC晶體管雖已開始投產(chǎn)，但普及程度還不如二極管，還停留在極少數(shù)的特殊用途。這是由于SiC晶體管的制造工藝比二極管復(fù)雜，成品率低，因而價格高。并且，雖然速度在減緩，但Si晶體管的性能卻一直仍在提高。與二極管相比，“還有很大的發(fā)展空間”（技術(shù)人員）。就是說，目前可以方便地使用低價位高性能的Si晶體管。

　　因此，在不斷降低SiC晶體管成本的同時，發(fā)揮SiC的出色材料特性，追求Si無法實現(xiàn)的性能，此類研發(fā)正在加速推進(jìn)。

　　SiC晶體管主要有MOSFET、JFET以及BJT三種。其中，最先投產(chǎn)的是JFET。

　　JFET雖然可以降低功率損失，但基本上處于“常閉（Normally On）工作”狀態(tài)（導(dǎo)通狀態(tài)），即使不加載柵極電壓也會工作。一般情況下，在大功率的電源電路上，多希望實現(xiàn)不加載柵極電壓就不會驅(qū)動的“常開狀態(tài)”。JFET也有可以實現(xiàn)常開工作的產(chǎn)品。然而，MOSFET因在原理上易于實現(xiàn)常開工作，因此很多企業(yè)都在致力于研發(fā)MOSFET。

　　科銳（Cree）和羅姆已經(jīng)投產(chǎn)了MOSFET。但還稱不上是廣泛普及。原因除了價格高外，還沒有完全發(fā)揮出SiC的出色材料特性。其中導(dǎo)通時的損失大，為減少導(dǎo)通損失而降低導(dǎo)通電阻的研發(fā)正在進(jìn)行。

　　降低導(dǎo)通電阻的方法是采用在柵極正下方開掘溝道。目前已經(jīng)投產(chǎn)的SiC制MOSFET都是“平面型”。平面型在為了降低溝道電阻而對單元進(jìn)行微細(xì)化時，JFET電阻會增大，導(dǎo)通電阻的降低存在局限性。而溝道型在構(gòu)造上不存在JFET電阻。因此，適于降低溝道電阻、減小導(dǎo)通電阻。

　　雖然溝道型可以降低導(dǎo)通電阻，但由于要在柵極正下方挖掘溝道，因此量產(chǎn)程度難于平面型。所以尚未投產(chǎn)。最早估計2013年羅姆等的產(chǎn)品將面世。

　　GaN類功率元件可通過使用硅基板降低成本

　　GaN在LED及半導(dǎo)體激光器等發(fā)光元件及基站用高頻元件用途上實現(xiàn)了產(chǎn)品化，而功率元件用途的產(chǎn)品化才剛剛開始，落后于SiC。但這種情況也在變化。那就是制造成本的降低和電氣特性的快速提高。

　　GaN類功率元件之所以能夠降低成本，是因為可利用價格低而口徑大的硅基板。采用硅基板，可以使用6英寸以上的大口徑產(chǎn)品。比如，美國EPC公司及美國IR就使用硅基板，通過形成外延層而推出了GaN類功率元件產(chǎn)品。

　　對運(yùn)行時導(dǎo)通電阻會上升的“電流崩塌”現(xiàn)象的抑制、耐壓等電氣特性的提高也在取得進(jìn)展。以耐壓為例，盡管產(chǎn)品一般低于200V，但也有超過了1kV的研發(fā)品。

　　目前，投產(chǎn)GaN類功率元件的企業(yè)還很少，但預(yù)計從2012年會開始逐漸增加。而且，2015年前后，結(jié)晶缺陷減少至可用于功率元件用途的水平、口徑高達(dá)6英寸的GaN基板很可能會面世。如果在GaN基板上形成GaN類功率元件，便可比使用硅基板等不同種材料的功率元件更易提高電氣特性。

　　GaN和SiC將區(qū)分使用

　　2015年，市場上或許就可以穩(wěn)定采購到功率元件用6英寸SiC基板。并且，屆時GaN類功率元件除了硅基板之外，還有望使用GaN基板。也就是說，2015年前后，SiC制功率元件與GaN類功率元件就均可輕松制造了。

　　在對大幅減少電力轉(zhuǎn)換器中的電力損失以及縮小電力轉(zhuǎn)換器尺寸有強(qiáng)烈要求的用途方面，估計會采用SiC及GaN。兩種元件最初將根據(jù)使用終端的電力容量及開關(guān)頻率區(qū)分使用。

　　GaN將主要用于中低容量用途，SiC將主要用于大容量用途。而且，由于GaN制功率元件更適合高速開關(guān)動作，因此要求更高開關(guān)頻率的用途估計會采用GaN。

　　SiC功率元件有望降低成本，SBD或?qū)⒔抵凉瓒O管的兩倍

　　與硅制功率半導(dǎo)體元件相比，SiC制功率元件的電力損失小，可以高速開關(guān)，而且耐熱性高等，性能更加出色。SiC制肖特基二極管（SBD）于2001年投產(chǎn)，SiC制MOSFET于2010年投產(chǎn)，其中SiC制SBD已被配備于空調(diào)及鐵路車輛用逆變器等，SiC制功率元件的采用正在逐步擴(kuò)大。

　　新日本制鐵開發(fā)的6英寸SiC基板

　　但SiC制功率元件要進(jìn)一步普及到混合動力車及電動汽車等電動車輛、工業(yè)設(shè)備以及白色家電的電源電路等領(lǐng)域，價格及性能方面還存在課題。SBD仍十分昂貴，SiC制MOSFET不僅價格高，而且沒有完全發(fā)揮出SiC的出色材料特性。不過，有助于解決這些問題的研究成果接連問世（表1）。

　　6英寸基板將于2012年面世

　　對降低SiC制功率元件的成本十分重要的是，制造元件時使用的基板的大小。基板的口徑越大，功率元件的生產(chǎn)效率越高，也就越有利于降低成本。

　　目前已產(chǎn)品化的功率元件用SiC基板的最大口徑是4英寸，估計6英寸產(chǎn)品最早將會在2012年內(nèi)面世。除了SiC基板份額居首的美國科銳之外，新日本制鐵也宣布將在2012年開始樣品供貨SiC基板。2015年以后，估計會有多家企業(yè)提供基板，而且結(jié)晶缺陷更少。

　　與3英寸擴(kuò)大至4英寸相比，口徑擴(kuò)大至6英寸對降低成本起到的作用更大。其原因是，目前硅制功率元件都使用口徑為6～8英寸的硅基板制造，6英寸SiC基板面世后，更加便于在生產(chǎn)SiC制功率元件時沿用現(xiàn)有裝置。

　　據(jù)法國調(diào)查公司Yole Developpement介紹，采用4英寸基板的SBD價格為每安培輸出電流約16美分。采用6英寸基板之后，有望降至每安培10美分以下。

　　目前，用于電源電路用途的硅制二極管方面，“耐壓600V、輸出電流為5A的產(chǎn)品為25日元左右”（功率半導(dǎo)體技術(shù)人員）。也就是說，如果6英寸基板能夠穩(wěn)定供應(yīng)，SiC制SBD的價格將降至硅制二極管的1.5～2倍左右。如果能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的價格，估計SiC制SBD將會“迅速普及”（該技術(shù)人員）注1）。

　　注1） 6英寸基板面世后，便于生產(chǎn)電動車輛所需要的、每個芯片可承受100A以上大電流的10mm見方以上大尺寸芯片。

　　導(dǎo)通電阻降至1/20以下

　　SiC制SBD的普及出現(xiàn)曙光，而SiC制MOSFET的開發(fā)焦點(diǎn)則是如何發(fā)揮SiC的出色材料特性。其中，為減少導(dǎo)通時的損失而降低導(dǎo)通電阻的研發(fā)正在推進(jìn)之中。目標(biāo)是將導(dǎo)通電阻降至Si制功率元件的1/10以下。

　　羅姆2011年12月發(fā)布了實現(xiàn)這一目標(biāo)的溝道型MOSFET。通過減小通道電阻及基板電阻，降低了導(dǎo)通電阻，從而在耐壓600V下實現(xiàn)了0.79mΩcm2的導(dǎo)通電阻，在耐壓1200V下實現(xiàn)了1.41mΩcm2（圖1）。據(jù)該公司介紹，與原來的硅制MOSFET相比，導(dǎo)通電阻不到1/20，與已量產(chǎn)的SiC制MOSFET相比也不到1/7。

　　圖1：在耐壓600V下導(dǎo)通電阻低于1mΩcm2

　　羅姆試制出了在耐壓600V下導(dǎo)通電阻低于1mΩcm2的溝道型SiC制MOSFET。與該公司的原產(chǎn)品相比，通道電阻約降低了80％，基板電阻約降低70％，導(dǎo)通電阻還不到一半（a）。通過采用柵極和源極都形成溝道的“雙溝道構(gòu)造”，減輕了柵極部分的電場集中效應(yīng)（b）。

　　羅姆表示將在爭取2013年度內(nèi)使溝道型SiC制MOSFET實用化。

　　內(nèi)置回流二極管

　　在提高SiC制MOSFET性能的同時，通過減少部件數(shù)量，抑制采用SiC制功率元件時的成本增加的研發(fā)也在進(jìn)行之中。

　　典型例子是松下2011年12月作為研發(fā)成果發(fā)布的內(nèi)置有回流二極管的SiC制MOSFET。該產(chǎn)品通過內(nèi)置回流二極管來減少逆變器電路中的部件數(shù)量，從而實現(xiàn)了電路的低成本化及小型化。

　　此前，MOSFET內(nèi)置的二極管啟動電壓高達(dá)約2.5V，難以達(dá)到實用水平。而松下的試制品將該電壓降低到了0.5V。而且，據(jù)松下介紹，SiC制二極管的溫度特性優(yōu)于普通SBD（圖2）。盡管松下沒有具體的商業(yè)化計劃，但估計約兩年后可以解決實用化所面臨的技術(shù)課題。

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　　圖2：溫度特性優(yōu)于SiC制SBD

　　松下試制出了內(nèi)置有回流二極管的SiC制MOSFET。據(jù)該公司介紹，與普通的SiC制SBD相比，內(nèi)置二極管的溫度特性十分出色。獲得某一電流輸出值所需要的正向電壓在高溫下也不易發(fā)生變化。


　　氧化鎵比SiC耐壓高且損耗低

　　“實際上Ga2O3是很有意思的材料”（熟知功率半導(dǎo)體元件的研究人員）。

　　與正作為新一代功率半導(dǎo)體材料而在推進(jìn)開發(fā)的SiC（碳化硅）及GaN（氮化鎵）相比，因有望以低成本制造出高耐壓且損耗低的功率半導(dǎo)體元件（以下稱功率元件），作為氧化鎵一種的β型Ga2O3吸引了眾多目光。

　　契機(jī)是日本信息通信研究機(jī)構(gòu)（NICT）、田村制作所及光波公司共同開發(fā)出的β型Ga2O3晶體管（圖1）注1）。具體就是把肖特基結(jié)型金屬用作柵極電極的“MESFET”（金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，metal-semiconductor field effect transistor）。

　　注1） 此次的部分開發(fā)是通過NEDO的委托業(yè)務(wù)“節(jié)能革新技術(shù)開發(fā)業(yè)務(wù)——挑戰(zhàn)研究‘超高耐壓氧化鎵功率元件的研發(fā)’”實施的?；逯圃煊商锎逯谱魉c光波公司負(fù)責(zé)，外延層形成由京都大學(xué)、東京工業(yè)大學(xué)及田村制作所負(fù)責(zé)，工藝由NICT負(fù)責(zé)。

　　盡管該晶體管采用不形成保護(hù)膜（鈍化膜）的簡單構(gòu)造，但耐壓卻高達(dá)257V，漏電流僅為5μA/mm?！氨緛硎潜е芄ぷ骶涂梢缘钠谕圃斓模Y(jié)果卻好得超出了想象。這是只有氧化鎵才能實現(xiàn)的值”，NICT未來ICT研究所超高頻ICT研究室主任研究員東脅正高開心地表示。

　　材料性質(zhì)比SiC及GaN還要出色

　　比SiC或GaN耐壓高且損耗低的功率元件之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，是因為其材料性質(zhì)參數(shù)比兩種材料都要出色（圖2（a））。其中，帶隙和絕緣破壞電場較大。

　　圖3 NICT等利用β型Ga2O3試制出了晶體管（a、b）。盡管構(gòu)造簡單，但耐壓高達(dá)257V（c）。（（a）的圖片來自于NICT等）

　　在Ga2O3中，化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定的是β型，其帶隙為4.8～4.9eV。該數(shù)值是硅的4倍以上，而且高于3.3eV的SiC和3.4eV的GaN。絕緣破壞電場為8MV/cm左右，相當(dāng)于硅的20倍以上、SiC或GaN的兩倍以上。

　　圖4 β型Ga2O3的帶隙及絕緣破壞電場特別大，低損耗性指標(biāo)“Baliga性能指數(shù)”較高（a）。因此，制造相同耐壓的功率元件時，β型Ga2O3與GaN或SiC相比，導(dǎo)通電阻會變?。╞）。

　　因此，從理論上來說，制造相同耐壓的單極性功率元件時，β型Ga2O3與SiC或GaN相比，可以減小導(dǎo)通電阻（圖2（b））。而導(dǎo)通電阻的降低，有助于減少電源電路中的電力損耗。

　　耐壓上也有望超過SiC。比如，通過設(shè)置形成保護(hù)膜來減輕電場向柵極集中的“場板”的單極晶體管，“估計可達(dá)到3k～4kV”（NICT的東脅）。

　　而單極元件——SiC制MOSFET的耐壓一般為1kV左右，提高了耐壓的雙極元件“應(yīng)該也很難達(dá)到3kV以上”（東脅）。

　　β-Ga2O3還有一個特點(diǎn)，就是在制作基板時可采用“FZ（floating zone，懸浮區(qū)熔法）”及“EFG（edge-defined film-fed growth，導(dǎo)模法）”等溶液生長法，這兩種生長法能夠以低成本量產(chǎn)結(jié)晶缺陷少且口徑大的基板。

　　FZ法及EFG法已被實際用于藍(lán)寶石基板的制造。藍(lán)寶石基板是制作藍(lán)色LED芯片的基板，特點(diǎn)是價格便宜，結(jié)晶缺陷少，而且大尺寸產(chǎn)品的口徑可達(dá)到6～8英寸。而SiC基板及GaN基板一般采用氣相法制造，所以減少結(jié)晶缺陷以及擴(kuò)大口徑都較為困難。

　　此次試制的晶體管使用的Ga2O3基板就是采用FZ法制成的，但外形尺寸還很小，只有6mm×4mm注1）?！皩碇圃炜趶綖?英寸的Ga2O3基板時，估計成本可降至1萬日元左右。SiC基板是無法做到如此便宜的”（NICT的東脅）。

　　注1）此外，還有采用EFG法制成的2英寸見方基板。

　　此外，Ga2O3基板能夠以低于SiC或GaN的溫度在基板上形成外延層，所以有助于降低制造時的耗電量并削減設(shè)備成本。如果采用名為“Mist CVD法”的方法，生長溫度還不到500℃注2）。而GaN或SiC一般需要1000℃以上的溫度。

　　注2）此次試制的晶體管進(jìn)行外延層生長時采用了MBE法。

　　首先從制造MOSFET開始

　　Ga2O3中隱藏著巨大的潛力，但研發(fā)的全面目前才剛剛開始。試制出的晶體管不僅耐壓、輸出電流及電流的導(dǎo)通/截止比都還達(dá)不到要求，漏電流也較大，而且還存在常閉工作等課題注3）。但“與采用GaN的功率元件的開發(fā)初期相比，估計解決課題所花費(fèi)的時間會較短。目前已找到形成保護(hù)膜等解決問題的頭緒”（NICT的東脅）。

　　注3）此外，還存在難以制成p型晶體管的課題，但功率元件使用的是n型，所以問題不大。

　　據(jù)NICT介紹，當(dāng)前的目標(biāo)是在2015年之前利用Ga2O3制造出口徑為4英寸的基板和MOSFET，2020年的目標(biāo)是開始作為功率元件進(jìn)行小規(guī)模量產(chǎn)。
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