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功率半導體作為節(jié)能王牌而備受關(guān)注，研發(fā)也日益活躍。本連載將介紹功率半導體元件的研發(fā)動向、所需材料及應(yīng)用技術(shù)等。SiC和GaN是業(yè)界正在研發(fā)的僅次于現(xiàn)行硅材料的新一代功率半導體材料，連載的第一回將邀請熟悉兩種材料的研究人員進行講解。

功率半導體元件（以下稱功率元件）是有效利用電力能源所不可缺少的關(guān)鍵元件。從個人電腦和家電等電子產(chǎn)品的電源，到電動汽車和鐵路車輛的逆變器，再到光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)器等，功率元件應(yīng)用于人們身邊的各個領(lǐng)域（圖1）。目前，資源問題及能源問題越來越嚴重，人們對提高功率元件的性能寄予厚望。

圖1 功率元件的用途廣泛

功率元件已被個人電腦、白色家電、電動汽車、鐵路車輛的逆變器、光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)器等采用。

支撐現(xiàn)代社會的硅功率元件從晶閘管開始，經(jīng)過了雙極晶體管（BJT）、功率MOSFET、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的演變，已有50多年的發(fā)展歷史。

硅功率元件的開發(fā)日趨成熟，性能很難像過去一樣顯著提高。因此，作為可飛躍提高性能的新半導體材料，帶隙很大的“寬帶隙半導體”碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）承載著人們的殷切期望。

本文將分數(shù)回介紹采用SiC和GaN的功率元件的開發(fā)動向。此次將在講解功率元件的基本原理之后，分析通過SiC及GaN提高性能的原理，以及迄今為止采用兩種材料的功率元件研發(fā)情況。

高耐壓和低導通電阻無法同時兼顧

下面首先介紹一下功率元件的基本工作原理。功率元件通常在關(guān)閉（截止）和打開（導通）兩種狀態(tài)下使用。關(guān)閉狀態(tài)，也就是必須在所要求電壓下完全斷開電流。關(guān)于打開狀態(tài)，要求在損失最小的情況下，也就是電阻最�。�電壓降低）時通過電流。

關(guān)閉狀態(tài)下元件無法保持絕緣狀態(tài)的電壓Vb稱為擊穿電壓，或者單純地稱為耐壓。關(guān)閉狀態(tài)的電阻與元件面積密切相關(guān)，因為是元件單位面積的電阻，所以采用的指標為特征導通電阻即RonA（A為面積）。

一般而言，耐壓越高、導通電阻越小，功率元件的性能也就越高，但耐壓和導通電阻之間存在此消彼長的關(guān)系。這是由于功率元件的工作原理所致。

下面以最簡單的功率元件——肖特基勢壘二極管（SBD）為例，介紹一下耐壓與導通電阻的關(guān)系（圖2）。二極管在關(guān)閉狀態(tài)也就是反向偏壓狀態(tài)下，半導體處于不存在載流子（電子、空穴）的耗盡狀態(tài)�？蓪⑻幱诤谋M狀態(tài)的半導體層看作絕緣體，通過該層來關(guān)斷電流。但向耗盡區(qū)域施加超過擊穿電場強度（Ecr）的電場時，“碰撞電離現(xiàn)象”就會導致載流子發(fā)生雪崩（Avalanche）現(xiàn)象，進行介電擊穿，導致大電流流向功率元件。

圖2 耐壓和導通電阻存在此消彼長的關(guān)系 功率元件在關(guān)閉時，如果被施加超過擊穿電場強度（Ecr）的電場，就會有電流通過。因此，要設(shè)置低濃度摻雜雜質(zhì)的“耐壓保持層”（a）。該層越厚，耐壓越高，但會導致打開（導通）時的電阻成分增加（b）。圖為SBD的情況。

因此，在設(shè)計功率元件時，為了防止超過擊穿電場強度，會將低濃度摻雜雜質(zhì)的厚半導體層作為“耐壓保持層”使用（圖2（a））。該層因在導通狀態(tài)下會有漂移電流通過，所以也被稱為漂移層。在低濃度摻雜層，耗盡層很容易擴大，因此可將施加電壓分散至整個耐壓保持層。由此，可將最大電場強度降至半導體材料的擊穿電場強度以下。

但導通時該耐壓保持層會產(chǎn)生串聯(lián)電阻（圖2（b））。因為摻雜濃度低，所以載流子少，電阻率高。由于電阻值與厚度成正比，因此會導致串聯(lián)電阻變大，造成導通電阻增大。

而且，功率元件還具有耐壓保持層以外的導通電阻成分，比如MOS通道電阻及電極接觸電阻等。

在假設(shè)可以實現(xiàn)理想的功率元件、完全發(fā)揮出半導體材料特性（物性）的情況下，某一耐壓下的最小理論導通電阻值被稱為物性界限或“單極性極限”。因為在計算導通電阻時設(shè)想使用SBD及MOSFET等單極性元件，所以才如此命名。

耐壓與特征導通電阻的關(guān)系式用下圖公式來表示。Vb為耐壓，Ecr為擊穿電場強度，ε為介電常數(shù)，μ為載流子遷移率。圖3表示以硅材料計算的耐壓和導通電阻的關(guān)系。

圖3 SiC和GaN超過硅表示某一耐壓下最小理論導通電阻值“單極性極限”。SiC和GaN均可實現(xiàn)小于硅的導通電阻。

近幾年的硅功率MOSFET經(jīng)過長年的技術(shù)開發(fā)，將MOS通道電阻等電阻成分降至極限，實現(xiàn)了接近單極性極限的特性。也就是說，已基本達到理論界限，幾乎沒有降低導通電阻的余地了。因此，將來很難把硅功率MOSFET的導通電阻降至目前的1/10以下。

從圖3可以看出，在耐壓低于100V時，硅的單極性極限導通電阻很小。如果耐壓在這一范圍內(nèi)，便可購買到實用方面導通電阻足夠低的硅功率MOSFET。因還有其他元件及布線的電阻，估計很難在耐壓低于100V時大幅降低導通電阻。

從上述公式來看，導通電阻會隨著耐壓呈二次方增大。如果是電動汽車及鐵路車輛使用的耐壓超過1kV的元件，硅的導通電阻就會快速增大，導致無法達到實用水平。因此，市售的硅功率MOSFET最多為耐壓600～900V，超過1kV的產(chǎn)品無法制造。

利用雙極元件降低導通電阻

因此，高耐壓硅功率元件往往采用有望通過注入少數(shù)載流子來提高導電率的雙極元件。整流元件中的PiN二極管就是雙極元件，開關(guān)元件中的IGBT及晶閘管也是雙極元件。

單極性極限的假設(shè)條件是半導體的電阻率由雜質(zhì)的摻雜濃度決定。而在雙極元件中，這一假設(shè)在特定條件下并不成立，電阻率會降低。這就是下面要介紹的“電導率調(diào)制”。

雙極元件必定具備pn結(jié)。通過為pn結(jié)施加正向偏壓，便可注入少數(shù)載流子，從而使電流通過。施加遠遠高于pn結(jié)啟動電壓（硅為0.6～0.8V）的偏壓時，注入的少數(shù)載流子就會大幅增加（不能再稱為少數(shù)），為了保持電中性，多數(shù)載流子也會增加。這樣一來，遠遠超過原來雜質(zhì)濃度的電子載流子和空穴載流子就會同時存在，使得電阻率大幅降低。這就是電導率調(diào)制。

如果雙極元件利用電導率調(diào)制現(xiàn)象，可使導通狀態(tài)的電阻值低于單極性極限。

但電導率調(diào)制也有缺點。雖然可減少導通電阻帶來的損失，但因?qū)�通狀態(tài)下儲存在耐壓保持層的載流子的原因，開關(guān)時，尤其是由開變成關(guān)時，切換會延遲，導致開關(guān)損失增加。使用雙極元件的逆變器等功率電子產(chǎn)品，需要設(shè)置較低的工作頻率，并減少開關(guān)次數(shù)來降低開關(guān)損失，以減少系統(tǒng)損失。

在電動汽車及鐵路等領(lǐng)域，雙極元件——硅制IGBT的使用十分廣泛。通過將開關(guān)頻率設(shè)為數(shù)k～20kHz左右，來減少開關(guān)損失。（日經(jīng)技術(shù)在線！ 供稿）