功率半导体的革命：SiC与GaN的共舞(一)

“功率半导体”多被用于转换器及逆变器等电力转换器进行电力控制。目前，功率半导体材料正迎来材料更新换代，这些新材料就是SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓），二者的物理特性均优于现在使用的Si（硅），作为“节能王牌”受到了电力公司、汽车厂商和电子厂商等的极大期待。将Si换成GaN或SiC等化合物半导体，可大幅提高产品效率并缩小尺寸，这是Si功率半导体元件（以下简称功率元件）无法实现的。

　　目前，很多领域都将Si二极管、MOSFET及IGBT（绝缘栅双极晶体管）等晶体管用作功率元件，比如供电系统、电力机车、混合动力汽车、工厂内的生产设备、光伏发电系统的功率调节器、空调等白色家电、服务器及个人电脑等。这些领域利用的功率元件的材料也许不久就将被GaN和SiC所替代。

　　例如，SiC已开始用于铁路车辆用马达的逆变器装置以及空调等。

　　电能损失可降低50％以上

　　利用以GaN和SiC为材料的功率元件之所以能降低电能损失，是因为可以降低导通时的损失和开关损失。比如，逆变器采用二极管和晶体管作为功率元件，仅将二极管材料由Si换成SiC，逆变器的电能损失就可以降低15～30％左右，如果晶体管材料也换成SiC，则电能损失可降低一半以上。

　　有助于产品实现小型化

　　电能损失降低，发热量就会相应减少，因此可实现电力转换器的小型化。利用GaN和SiC制作的功率元件具备两个能使电力转换器实现小型化的特性：可进行高速开关动作和耐热性较高。

　　GaN和SiC功率元件能以Si功率元件数倍的速度进行开关。开关频率越高，电感器等构成电力转换器的部件就越容易实现小型化。

　　耐热性方面，Si功率元件在200℃就达到了极限，而GaN和SiC功率元件均能在温度更高的环境下工作，这样就可以缩小或者省去电力转换器的冷却机构。

　　这些优点源于GaN和SiC具备的物理特性。与Si相比，二者均具备击穿电压高、带隙宽、导热率高、电子饱和速率高、载流子迁移率高等特点。

　　SiC二极管率先实用化

　　在GaN和SiC功率元件中，率先产品化的是SiC。尤其是SiC二极管的利用今后似会迅猛增加。

　　除了2001年最初实现SiC二极管产品化的德国英飞凌科技外，美国科锐和意法合资公司意法半导体等厂商也已经推出了产品。在日本，罗姆、新日本无线及瑞萨电子等投产了SiC二极管。很多企业在开发肖特基势垒二极管（SBD），科锐等部分企业还推出了组合肖特基结和pn结的“JBS（junction barrier schottky）构造”二极管。

　　基板供求情况好转

　　从事SiC二极管的企业之所以增加，是由于制作功率元件不可缺少的SiC基板的供应状况有了好转。比如，结晶缺陷减少使得SiC基板质量提高，而且基板的大口径化也有了进展。口径为4英寸的产品正逐渐成为主流。2012年还将开始样品供货6英寸产品，2013年似将有望开始量产。

　　另外，基板厂商的增加引发了价格竞争，基板比以前便宜了。从事外延基板（层叠外延层）厂商的增加也降低了涉足SiC二极管业务的门槛。

　　除了SiC基板的供应状况好转外，功率Si二极管“与Si晶体管相比，性能提高的余地比较小”（熟知功率元件的技术人员），这也促使用户使用SiC二极管。

　　有观点认为，Si二极管虽然构造简单，但相应地“性能的提高在日益接近极限，用SiC来取代Si的趋势今后可能会增加”（上述技术人员）。

　　SiC制MOSFET的普及将从沟道型产品开始

　　功率元件用SiC晶体管虽已开始投产，但普及程度还不如二极管，还停留在极少数的特殊用途。这是由于SiC晶体管的制造工艺比二极管复杂，成品率低，因而价格高。并且，虽然速度在减缓，但Si晶体管的性能却一直仍在提高。与二极管相比，“还有很大的发展空间”（技术人员）。就是说，目前可以方便地使用低价位高性能的Si晶体管。

　　因此，在不断降低SiC晶体管成本的同时，发挥SiC的出色材料特性，追求Si无法实现的性能，此类研发正在加速推进。

　　SiC晶体管主要有MOSFET、JFET以及BJT三种。其中，最先投产的是JFET。

　　JFET虽然可以降低功率损失，但基本上处于“常闭（Normally On）工作”状态（导通状态），即使不加载栅极电压也会工作。一般情况下，在大功率的电源电路上，多希望实现不加载栅极电压就不会驱动的“常开状态”。JFET也有可以实现常开工作的产品。然而，MOSFET因在原理上易于实现常开工作，因此很多企业都在致力于研发MOSFET。

　　科锐（Cree）和罗姆已经投产了MOSFET。但还称不上是广泛普及。原因除了价格高外，还没有完全发挥出SiC的出色材料特性。其中导通时的损失大，为减少导通损失而降低导通电阻的研发正在进行。

　　降低导通电阻的方法是采用在栅极正下方开掘沟道。目前已经投产的SiC制MOSFET都是“平面型”。平面型在为了降低沟道电阻而对单元进行微细化时，JFET电阻会增大，导通电阻的降低存在局限性。而沟道型在构造上不存在JFET电阻。因此，适于降低沟道电阻、减小导通电阻。

　　虽然沟道型可以降低导通电阻，但由于要在栅极正下方挖掘沟道，因此量产程度难于平面型。所以尚未投产。最早估计2013年罗姆等的产品将面世。

　　GaN类功率元件可通过使用硅基板降低成本

　　GaN在LED及半导体激光器等发光元件及基站用高频元件用途上实现了产品化，而功率元件用途的产品化才刚刚开始，落后于SiC。但这种情况也在变化。那就是制造成本的降低和电气特性的快速提高。

　　GaN类功率元件之所以能够降低成本，是因为可利用价格低而口径大的硅基板。采用硅基板，可以使用6英寸以上的大口径产品。比如，美国EPC公司及美国IR就使用硅基板，通过形成外延层而推出了GaN类功率元件产品。

　　对运行时导通电阻会上升的“电流崩塌”现象的抑制、耐压等电气特性的提高也在取得进展。以耐压为例，尽管产品一般低于200V，但也有超过了1kV的研发品。

　　目前，投产GaN类功率元件的企业还很少，但预计从2012年会开始逐渐增加。而且，2015年前后，结晶缺陷减少至可用于功率元件用途的水平、口径高达6英寸的GaN基板很可能会面世。如果在GaN基板上形成GaN类功率元件，便可比使用硅基板等不同种材料的功率元件更易提高电气特性。