功率半導(dǎo)體的革命：SiC與GaN的共舞

　　“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(lái)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(jiǎn)稱功率元件）無(wú)法實(shí)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(dòng)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(gè)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(kāi)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?yàn)榭梢越档蛯?dǎo)通時(shí)的損失和開(kāi)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(shí)現(xiàn)小型化

　　電能損失降低，發(fā)熱量就會(huì)相應(yīng)減少，因此可實(shí)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(gè)能使電力轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)小型化的特性：可進(jìn)行高速開(kāi)關(guān)動(dòng)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(kāi)關(guān)。開(kāi)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(shí)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(shí)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(huì)迅猛增加。

　　除了2001年最初實(shí)現(xiàn)SiC二極管產(chǎn)品化的德國(guó)英飛凌科技外，美國(guó)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(wú)線及瑞薩電子等投產(chǎn)了SiC二極管。很多企業(yè)在開(kāi)發(fā)肖特基勢(shì)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(kāi)始樣品供貨6英寸產(chǎn)品，2013年似將有望開(kāi)始量產(chǎn)。

　　另外，基板廠商的增加引發(fā)了價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)，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(jiǎn)單，但相應(yīng)地“性能的提高在日益接近極限，用SiC來(lái)取代Si的趨勢(shì)今后可能會(huì)增加”（上述技術(shù)人員）。

　　SiC制MOSFET的普及將從溝道型產(chǎn)品開(kāi)始

　　功率元件用SiC晶體管雖已開(kāi)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(jià)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(shuō)，目前可以方便地使用低價(jià)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(shí)，發(fā)揮SiC的出色材料特性，追求Si無(wú)法實(shí)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(huì)工作。一般情況下，在大功率的電源電路上，多希望實(shí)現(xiàn)不加載柵極電壓就不會(huì)驅(qū)動(dòng)的“常開(kāi)狀態(tài)”。JFET也有可以實(shí)現(xiàn)常開(kāi)工作的產(chǎn)品。然而，MOSFET因在原理上易于實(shí)現(xiàn)常開(kāi)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(jià)格高外，還沒(méi)有完全發(fā)揮出SiC的出色材料特性。其中導(dǎo)通時(shí)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(kāi)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(duì)單元進(jìn)行微細(xì)化時(shí)，JFET電阻會(huì)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(jì)2013年羅姆等的產(chǎn)品將面世。

　　GaN類功率元件可通過(guò)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(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，而功率元件用途的產(chǎn)品化才剛剛開(kāi)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?yàn)榭衫脙r(jià)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(guó)EPC公司及美國(guó)IR就使用硅基板，通過(guò)形成外延層而推出了GaN類功率元件產(chǎn)品。

　　對(duì)運(yùn)行時(shí)導(dǎo)通電阻會(huì)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(guò)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(jì)從2012年會(huì)開(kāi)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(huì)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。