可在高溫下工作也是一大優(yōu)點(diǎn)

寬帶隙半導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)并不僅僅是導(dǎo)通電阻低。這種半導(dǎo)體還具有可在高溫下工作的優(yōu)點(diǎn)。隨著溫度的升高，熱量會(huì)使電子空穴對(duì)的生成更為活躍，半導(dǎo)體的逆向漏電流也會(huì)增加。工作溫度因元件的種類、構(gòu)造及耐壓不同而異，但硅材料的實(shí)用極限結(jié)溫為150～200℃左右。考慮到半導(dǎo)體元件的熱阻，需要使安裝元件的散熱片的溫度低于結(jié)溫。由于這種原因，在功率電子領(lǐng)域，散熱措施成了重要的技術(shù)課題。

SiC及GaN因帶隙很大，所以很難因熱量的作用而生成電子空穴對(duì)。因此，就算結(jié)溫達(dá)到300℃，原理上超過500℃，也仍然可以發(fā)揮功率元件的功能。

如果能在300℃條件下工作，就可將水冷變成強(qiáng)制空冷，將強(qiáng)制空冷變成自然空冷，大幅簡化冷卻機(jī)構(gòu)。冷卻機(jī)構(gòu)的簡化有助于大幅降低系統(tǒng)成本、縮小外形尺寸并減輕重量。而且，不再需要水冷泵及冷卻扇等輔機(jī)，裝置的維護(hù)也會(huì)簡化，從產(chǎn)品總體來看，這會(huì)成為一大優(yōu)點(diǎn)。寬帶隙半導(dǎo)體的確是最適合功率元件的材料。

實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)SiC的晶體生長

寬帶隙半導(dǎo)體材料的確擁有極佳的物性，但以前很難進(jìn)行晶體生長（這是實(shí)現(xiàn)功率元件的基礎(chǔ)），所以并沒有被人們當(dāng)做功率元件的有力材料。在介紹最近的研發(fā)動(dòng)向之前，筆者想簡單回顧一下SiC及GaN的研究歷史。

SiC與硅及GaAs不同，在SiC狀態(tài)下不會(huì)熔融，所以很難從溶液開始生長。因此，很難獲得SiC塊狀晶體（晶圓）。關(guān)于SiC，1980年之前的主要研究內(nèi)容是在硅基板上進(jìn)行SiC晶體異質(zhì)外延生長。雖然人們希望能夠以低廉的成本在大面積硅基板上獲得SiC，但因硅與SiC的晶體構(gòu)造不同，晶格也不匹配，所以獲得的SiC晶體存在很多缺陷，采用這種晶體試制的SiC元件沒有顯示出人們所期待的性能。

1980年代，日本京都大學(xué)教授松波弘之（現(xiàn)任京都大學(xué)名譽(yù)教授）感覺到了硅基板的局限性，從研磨材料工廠（SiC也可用作研磨材料）提供的SiC多晶體中找出了數(shù)mm的SiC大晶體，并開始研究如何在SiC晶體上生長可供電子元件使用的高品質(zhì)SiC。但是，SiC擁有會(huì)形成多種晶體構(gòu)造的棘手性質(zhì)，將SiC用于基板時(shí)，未能獲得良好的晶體。

轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在1987年前后。松波發(fā)現(xiàn)，如果將基板的晶體表面相對(duì)于穩(wěn)定的晶體面傾斜幾度，生長層的晶體構(gòu)造就會(huì)統(tǒng)一起來，從而使晶體品質(zhì)獲得飛躍性提高。根據(jù)其原理，松波將其命名為“臺(tái)階控制外延”技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)是現(xiàn)在制作SiC功率元件的基本技術(shù)，在世界各地獲得了廣泛使用。

幾乎在臺(tái)階控制外延技術(shù)問世的同時(shí)，美國風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)科銳（Cree）啟動(dòng)了通過升華法獲得SiC塊狀晶體的業(yè)務(wù)。由此，晶圓（基板）供應(yīng)有了眉目。另外，當(dāng)時(shí)科銳以采用SiC的藍(lán)色LED為目標(biāo)，推進(jìn)了SiC晶圓開發(fā)。目前，科銳通過在SiC晶圓上生長GaN而不是SiC來生產(chǎn)藍(lán)色LED芯片。

至此，高品質(zhì)外延生長技術(shù)和塊狀基板等元件制造所不可缺少的要素已全部具備。后來，松波等人于1995年成功試制出耐壓1750V的SiC制SBD，以此為契機(jī)，SiC功率元件的研發(fā)在世界各地活躍起來，至今仍然如火如荼。