【功率半導體】（二）：SiC和GaN為何適作功率元件【2】

可在高溫下工作也是一大優點

寬帶隙半導體的優點並不僅僅是導通電阻低。這種半導體還具有可在高溫下工作的優點。隨著溫度的升高，熱量會使電子空穴對的生成更為活躍，半導體的逆向漏電流也會增加。工作溫度因元件的種類、構造及耐壓不同而異，但硅材料的實用極限結溫為150∼200℃左右。考慮到半導體元件的熱阻，需要使安裝元件的散熱片的溫度低於結溫。由於這種原因，在功率電子領域，散熱措施成了重要的技術課題。

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。因此，就算結溫達到300℃，原理上超過500℃，也仍然可以發揮功率元件的功能。

如果能在300℃條件下工作，就可將水冷變成強制空冷，將強制空冷變成自然空冷，大幅簡化冷卻機構。冷卻機構的簡化有助於大幅降低系統成本、縮小外形尺寸並減輕重量。而且，不再需要水冷泵及冷卻扇等輔機，裝置的維護也會簡化，從產品總體來看，這會成為一大優點。寬帶隙半導體的確是最適合功率元件的材料。

實現高品質SiC的晶體生長

寬帶隙半導體材料的確擁有極佳的物性，但以前很難進行晶體生長（這是實現功率元件的基礎），所以並沒有被人們當做功率元件的有力材料。在介紹最近的研發動向之前，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狀態下不會熔融，所以很難從溶液開始生長。因此，很難獲得SiC塊狀晶體（晶圓）。關於SiC，1980年之前的主要研究內容是在硅基板上進行SiC晶體異質外延生長。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的晶體構造不同，晶格也不匹配，所以獲得的SiC晶體存在很多缺陷，採用這種晶體試制的SiC元件沒有顯示出人們所期待的性能。

1980年代，日本京都大學教授鬆波弘之（現任京都大學名譽教授）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mm的SiC大晶體，並開始研究如何在SiC晶體上生長可供電子元件使用的高品質SiC。但是，SiC擁有會形成多種晶體構造的棘手性質，將SiC用於基板時，未能獲得良好的晶體。

轉機出現在1987年前后。鬆波發現，如果將基板的晶體表面相對於穩定的晶體面傾斜幾度，生長層的晶體構造就會統一起來，從而使晶體品質獲得飛躍性提高。根據其原理，鬆波將其命名為“台階控制外延”技術。這項技術是現在制作SiC功率元件的基本技術，在世界各地獲得了廣泛使用。

幾乎在台階控制外延技術問世的同時，美國風險企業科銳（Cree）啟動了通過升華法獲得SiC塊狀晶體的業務。由此，晶圓（基板）供應有了眉目。另外，當時科銳以採用SiC的藍色LED為目標，推進了SiC晶圓開發。目前，科銳通過在SiC晶圓上生長GaN而不是SiC來生產藍色LED芯片。

至此，高品質外延生長技術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，鬆波等人於1995年成功試制出耐壓1750V的SiC制SBD，以此為契機，SiC功率元件的研發在世界各地活躍起來，至今仍然如火如荼。