“瞄准10年后”——引發電網變革的超高耐壓器件

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日本京都大學工學研究科教授木本恆暢在2014年7月4日召開的“新一代功率半導體的沖擊：SiC從下一代走向現代”尖端技術論壇（主辦：《日經電子》）上，以“超高電壓應用SiC功率器件的發展”為題發表了演講，紹了日本學術振興會的最尖端研究開發項目的成果。

登台演講的京都大學教授木本恆暢

SiC作為取代Si的功率器件備受期待，在高耐壓領域尤其被看好。在600V∼6000V耐壓領域，瞄准混合動力車及鐵道車輛用途的開發日益活躍，這一耐壓下的應用需求，目前可通過肖特基勢壘二極管（SBD）及MOSFET等SiC單極性器件滿足。

而木本教授等人的FIRST項目研究的是能夠實現更高耐壓的PiN二極管及IGBT等SiC雙極性器件。通過將這些高耐壓器件應用於變電站、變頻站、高壓直流輸電、醫療用加速器高壓電源、高速鐵道車輛等，有望降低電力損耗以及實現設備的小型化。另外，在將來的電網中，通過採用更高耐壓的電子開關，還可實現電網與可再生能源、分布式電源、電動車組之間的聯動，以及故障時的瞬間斷電等遠程操作。

FIRST項目的目標並非立即使此類器件實現實用化，而是要推動全球最尖端研究，在10年以后達到實用水平。具體來說，該項目在2009∼2013年度對超過10kV的雙極器件以及可實現該器件的超高速外延生長等展開了研究。

研究目標共有5項：（1）13kV-20A級SiC PiN二極管、（2）13kV-20A級SiC IGBT、（3）5kV-20A級250℃開關操作、（4）能實現這些技術的膜厚及多層外延生長、（5）支持這些技術的學術性基礎研究。研發方面設定了三個子課題：（1）SiC的缺陷、物性控制以及器件基礎、（2）超厚膜及多層SiC外延晶圓技術、（3）工藝及超高耐壓SiC器件技術。

獲得的成果為，在高速厚膜外延生長和缺陷降低方面，實現了外延生長層厚度達到了100μm以上、受主密度達到1014cm-3的摻雜控制技術﹔降低了基面位錯（BPD），使BPD密度降至0.1cm-2以下﹔利用碳注入及熱氧化等手段，使載流子壽命大幅提高20μs以上。

憑借這些技術，木本教授等人成功試制出了耐壓13kV的40A級PiN二極管以及耐壓16kV的30A級IGBT。該IGBT在柵極形成方面，採用了離子注入與外延膜生長組合的IE構造。已通過實驗証實，使用這些器件以及新開發的高溫高耐壓密封材料，在250℃下實施5kV開關操作時，可實現20A以上、2μs的開關工作。

木本教授在演講的最后說道：“這些技術並非立即就能投入實用，而十年后，以這些技術為基礎的SiC雙極器件非常值得期待。”（作者：狩集 浩志，日經技術在線！供稿）