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導(dǎo)言：目前，功率半導(dǎo)體材料正迎來材料更新?lián)Q代，這些新材料就是SiC和GaN，二者的物理特性均優(yōu)于現(xiàn)在使用的Si，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)體元件無法實(shí)現(xiàn)的。

“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（以下簡稱功率元件）無法實(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)行高速開關(guān)動作和耐熱性較高。

GaN和SiC功率元件能以Si功率元件數(shù)倍的速度進(jìn)行開關(guān)。開關(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)。

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SiC制MOSFET的普及將從溝道型產(chǎn)品開始

功率元件用SiC晶體管雖已開始投產(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，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“常開（Normally On）工作”狀態(tài)，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(shí)現(xiàn)不加載柵極電壓就不會驅(qū)動的“常閉工作”。JFET也有可以實(shí)現(xiàn)常閉工作的產(chǎn)品。然而，MOSFET因在原理上易于實(shí)現(xiàn)常閉工作，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單元進(jìn)行微細(xì)化時(shí)，JFET電阻會增大，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。

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GaN類功率元件可通過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(chǎn)品。

對運(yùn)行時(shí)導(dǎo)通電阻會上升的“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年會開始逐漸增加。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。

GaN和SiC將區(qū)分使用

2015年，市場上或許就可以穩(wěn)定采購到功率元件用6英寸SiC基板。并且，屆時(shí)GaN類功率元件除了硅基板之外，還有望使用GaN基板。也就是說，2015年前后，SiC制功率元件與GaN類功率元件就均可輕松制造了。

在對大幅減少電力轉(zhuǎn)換器中的電力損失以及縮小電力轉(zhuǎn)換器尺寸有強(qiáng)烈要求的用途方面，估計(jì)會采用SiC及GaN。兩種元件最初將根據(jù)使用終端的電力容量及開關(guān)頻率區(qū)分使用。

GaN將主要用于中低容量用途，SiC將主要用于大容量用途。而且，由于GaN制功率元件更適合高速開關(guān)動作，因此要求更高開關(guān)頻率的用途估計(jì)會采用GaN。