【功率半導體】（一）：功率半導體成為節能王牌

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功率半導體作為節能王牌而備受關注，研發也日益活躍。本連載將介紹功率半導體元件的研發動向、所需材料及應用技術等。SiC和GaN是業界正在研發的僅次於現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鍵元件。從個人電腦和家電等電子產品的電源，到電動汽車和鐵路車輛的逆變器，再到光伏發電系統的功率調節器等，功率元件應用於人們身邊的各個領域（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、光伏發電系統的功率調節器等採用。

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

硅功率元件的開發日趨成熟，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。

本文將分數回介紹採用SiC和GaN的功率元件的開發動向。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，以及迄今為止採用兩種材料的功率元件研發情況。

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。功率元件通常在關閉（截止）和打開（導通）兩種狀態下使用。關閉狀態，也就是必須在所要求電壓下完全斷開電流。關於打開狀態，要求在損失最小的情況下，也就是電阻最小（電壓降低）時通過電流。

關閉狀態下元件無法保持絕緣狀態的電壓Vb稱為擊穿電壓，或者單純地稱為耐壓。關閉狀態的電阻與元件面積密切相關，因為是元件單位面積的電阻，所以採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系。這是由於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系（圖2）。二極管在關閉狀態也就是反向偏壓狀態下，半導體處於不存在載流子（電子、空穴）的耗盡狀態。可將處於耗盡狀態的半導體層看作絕緣體，通過該層來關斷電流。但向耗盡區域施加超過擊穿電場強度（Ecr）的電場時，“碰撞電離現象”就會導致載流子發生雪崩（Avalanche）現象，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系 功率元件在關閉時，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，要設置低濃度摻雜雜質的“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生串聯電阻（圖2（b））。因為摻雜濃度低，所以載流子少，電阻率高。由於電阻值與厚度成正比，因此會導致串聯電阻變大，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。

在假設可以實現理想的功率元件、完全發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，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均可實現小於硅的導通電阻。

近幾年的硅功率MOSFET經過長年的技術開發，將MOS通道電阻等電阻成分降至極限，實現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，在耐壓低於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，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，估計很難在耐壓低於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採用有望通過注入少數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，開關元件中的IGBT及晶閘管也是雙極元件。

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

雙極元件必定具備pn結。通過為pn結施加正向偏壓，便可注入少數載流子，從而使電流通過。施加遠遠高於pn結啟動電壓（硅為0.6∼0.8V）的偏壓時，注入的少數載流子就會大幅增加（不能再稱為少數），為了保持電中性，多數載流子也會增加。這樣一來，遠遠超過原來雜質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。這就是電導率調制。

如果雙極元件利用電導率調制現象，可使導通狀態的電阻值低於單極性極限。

但電導率調制也有缺點。雖然可減少導通電阻帶來的損失，但因導通狀態下儲存在耐壓保持層的載流子的原因，開關時，尤其是由開變成關時，切換會延遲，導致開關損失增加。使用雙極元件的逆變器等功率電子產品，需要設置較低的工作頻率，並減少開關次數來降低開關損失，以減少系統損失。

在電動汽車及鐵路等領域，雙極元件——硅制IGBT的使用十分廣泛。通過將開關頻率設為數k∼20kHz左右，來減少開關損失。（日經技術在線！ 供稿）