功率半導體的革命：SiC與GaN的共舞

　　“功率半導體”多被用于轉換器及逆變器等電力轉換器進行電力控制。目前，功率半導體材料正迎來材料更新換代，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于現在使用的Si（硅），作為“節能王牌”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等化合物半導體，可大幅提高產品效率并縮小尺寸，這是Si功率半導體元件（以下簡稱功率元件）無法實現的。

　　目前，很多領域都將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、電力機車、混合動力汽車、工廠內的生產設備、光伏發電系統的功率調節器、空調等白色家電、服務器及個人電腦等。這些領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的逆變器裝置以及空調等。

　　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，是因為可以降低導通時的損失和開關損失。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。

　　有助于產品實現小型化

　　電能損失降低，發熱量就會相應減少，因此可實現電力轉換器的小型化。利用GaN和SiC制作的功率元件具備兩個能使電力轉換器實現小型化的特性：可進行高速開關動作和耐熱性較高。

　　GaN和SiC功率元件能以Si功率元件數倍的速度進行開關。開關頻率越高，電感器等構成電力轉換器的部件就越容易實現小型化。

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

　　這些優點源于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、導熱率高、電子飽和速率高、載流子遷移率高等特點。

　　SiC二極管率先實用化

　　在GaN和SiC功率元件中，率先產品化的是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SiC二極管產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體等廠商也已經推出了產品。在日本，羅姆、新日本無線及瑞薩電子等投產了SiC二極管。很多企業在開發肖特基勢壘二極管（SBD），科銳等部分企業還推出了組合肖特基結和pn結的“JBS（junction barrier schottky）構造”二極管。

　　基板供求情況好轉

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

　　另外，基板廠商的增加引發了價格競爭，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二極管業務的門檻。

　　除了SiC基板的供應狀況好轉外，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人員），這也促使用戶使用SiC二極管。

　　有觀點認為，Si二極管雖然構造簡單，但相應地“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”（上述技術人員）。

　　SiC制MOSFET的普及將從溝道型產品開始

　　功率元件用SiC晶體管雖已開始投產，但普及程度還不如二極管，還停留在極少數的特殊用途。這是由于SiC晶體管的制造工藝比二極管復雜，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，“還有很大的發展空間”（技術人員）。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，發揮SiC的出色材料特性，追求Si無法實現的性能，此類研發正在加速推進。

　　SiC晶體管主要有MOSFET、JFET以及BJT三種。其中，最先投產的是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（導通狀態），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，多希望實現不加載柵極電壓就不會驅動的“常開狀態”。JFET也有可以實現常開工作的產品。然而，MOSFET因在原理上易于實現常開工作，因此很多企業都在致力于研發MOSFET。

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

　　降低導通電阻的方法是采用在柵極正下方開掘溝道。目前已經投產的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行微細化時，JFET電阻會增大，導通電阻的降低存在局限性。而溝道型在構造上不存在JFET電阻。因此，適于降低溝道電阻、減小導通電阻。

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

　　GaN類功率元件可通過使用硅基板降低成本

　　GaN在LED及半導體激光器等發光元件及基站用高頻元件用途上實現了產品化，而功率元件用途的產品化才剛剛開始，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類功率元件產品。

　　對運行時導通電阻會上升的“電流崩塌”現象的抑制、耐壓等電氣特性的提高也在取得進展。以耐壓為例，盡管產品一般低于200V，但也有超過了1kV的研發品。

　　目前，投產GaN類功率元件的企業還很少，但預計從2012年會開始逐漸增加。而且，2015年前后，結晶缺陷減少至可用于功率元件用途的水平、口徑高達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。