【功率半导体】（一）：功率半导体成为节能王牌

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功率半导体作为节能王牌而备受关注，研发也日益活跃。本连载将介绍功率半导体元件的研发动向、所需材料及应用技术等。SiC和GaN是业界正在研发的仅次于现行硅材料的新一代功率半导体材料，连载的第一回将邀请熟悉两种材料的研究人员进行讲解。

功率半导体元件（以下称功率元件）是有效利用电力能源所不可缺少的关键元件。从个人电脑和家电等电子产品的电源，到电动汽车和铁路车辆的逆变器，再到光伏发电系统的功率调节器等，功率元件应用于人们身边的各个领域（图1）。目前，资源问题及能源问题越来越严重，人们对提高功率元件的性能寄予厚望。

图1 功率元件的用途广泛

功率元件已被个人电脑、白色家电、电动汽车、铁路车辆的逆变器、光伏发电系统的功率调节器等采用。

支撑现代社会的硅功率元件从晶闸管开始，经过了双极晶体管（BJT）、功率MOSFET、绝缘栅双极晶体管（IGBT）的演变，已有50多年的发展历史。

硅功率元件的开发日趋成熟，性能很难像过去一样显著提高。因此，作为可飞跃提高性能的新半导体材料，带隙很大的“宽带隙半导体”碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）承载着人们的殷切期望。

本文将分数回介绍采用SiC和GaN的功率元件的开发动向。此次将在讲解功率元件的基本原理之后，分析通过SiC及GaN提高性能的原理，以及迄今为止采用两种材料的功率元件研发情况。

高耐压和低导通电阻无法同时兼顾

下面首先介绍一下功率元件的基本工作原理。功率元件通常在关闭（截止）和打开（导通）两种状态下使用。关闭状态，也就是必须在所要求电压下完全断开电流。关于打开状态，要求在损失最小的情况下，也就是电阻最小（电压降低）时通过电流。

关闭状态下元件无法保持绝缘状态的电压Vb称为击穿电压，或者单纯地称为耐压。关闭状态的电阻与元件面积密切相关，因为是元件单位面积的电阻，所以采用的指标为特征导通电阻即RonA（A为面积）。

一般而言，耐压越高、导通电阻越小，功率元件的性能也就越高，但耐压和导通电阻之间存在此消彼长的关系。这是由于功率元件的工作原理所致。

下面以最简单的功率元件——肖特基势垒二极管（SBD）为例，介绍一下耐压与导通电阻的关系（图2）。二极管在关闭状态也就是反向偏压状态下，半导体处于不存在载流子（电子、空穴）的耗尽状态。可将处于耗尽状态的半导体层看作绝缘体，通过该层来关断电流。但向耗尽区域施加超过击穿电场强度（Ecr）的电场时，“碰撞电离现象”就会导致载流子发生雪崩（Avalanche）现象，进行介电击穿，导致大电流流向功率元件。

图2 耐压和导通电阻存在此消彼长的关系 功率元件在关闭时，如果被施加超过击穿电场强度（Ecr）的电场，就会有电流通过。因此，要设置低浓度掺杂杂质的“耐压保持层”（a）。该层越厚，耐压越高，但会导致打开（导通）时的电阻成分增加（b）。图为SBD的情况。

因此，在设计功率元件时，为了防止超过击穿电场强度，会将低浓度掺杂杂质的厚半导体层作为“耐压保持层”使用（图2（a））。该层因在导通状态下会有漂移电流通过，所以也被称为漂移层。在低浓度掺杂层，耗尽层很容易扩大，因此可将施加电压分散至整个耐压保持层。由此，可将最大电场强度降至半导体材料的击穿电场强度以下。

但导通时该耐压保持层会产生串联电阻（图2（b））。因为掺杂浓度低，所以载流子少，电阻率高。由于电阻值与厚度成正比，因此会导致串联电阻变大，造成导通电阻增大。

而且，功率元件还具有耐压保持层以外的导通电阻成分，比如MOS通道电阻及电极接触电阻等。

在假设可以实现理想的功率元件、完全发挥出半导体材料特性（物性）的情况下，某一耐压下的最小理论导通电阻值被称为物性界限或“单极性极限”。因为在计算导通电阻时设想使用SBD及MOSFET等单极性元件，所以才如此命名。

耐压与特征导通电阻的关系式用下图公式来表示。Vb为耐压，Ecr为击穿电场强度，ε为介电常数，μ为载流子迁移率。图3表示以硅材料计算的耐压和导通电阻的关系。

图3 SiC和GaN超过硅表示某一耐压下最小理论导通电阻值“单极性极限”。SiC和GaN均可实现小于硅的导通电阻。

近几年的硅功率MOSFET经过长年的技术开发，将MOS通道电阻等电阻成分降至极限，实现了接近单极性极限的特性。也就是说，已基本达到理论界限，几乎没有降低导通电阻的余地了。因此，将来很难把硅功率MOSFET的导通电阻降至目前的1/10以下。

从图3可以看出，在耐压低于100V时，硅的单极性极限导通电阻很小。如果耐压在这一范围内，便可购买到实用方面导通电阻足够低的硅功率MOSFET。因还有其他元件及布线的电阻，估计很难在耐压低于100V时大幅降低导通电阻。

从上述公式来看，导通电阻会随着耐压呈二次方增大。如果是电动汽车及铁路车辆使用的耐压超过1kV的元件，硅的导通电阻就会快速增大，导致无法达到实用水平。因此，市售的硅功率MOSFET最多为耐压600～900V，超过1kV的产品无法制造。

利用双极元件降低导通电阻

因此，高耐压硅功率元件往往采用有望通过注入少数载流子来提高导电率的双极元件。整流元件中的PiN二极管就是双极元件，开关元件中的IGBT及晶闸管也是双极元件。

单极性极限的假设条件是半导体的电阻率由杂质的掺杂浓度决定。而在双极元件中，这一假设在特定条件下并不成立，电阻率会降低。这就是下面要介绍的“电导率调制”。

双极元件必定具备pn结。通过为pn结施加正向偏压，便可注入少数载流子，从而使电流通过。施加远远高于pn结启动电压（硅为0.6～0.8V）的偏压时，注入的少数载流子就会大幅增加（不能再称为少数），为了保持电中性，多数载流子也会增加。这样一来，远远超过原来杂质浓度的电子载流子和空穴载流子就会同时存在，使得电阻率大幅降低。这就是电导率调制。

如果双极元件利用电导率调制现象，可使导通状态的电阻值低于单极性极限。

但电导率调制也有缺点。虽然可减少导通电阻带来的损失，但因导通状态下储存在耐压保持层的载流子的原因，开关时，尤其是由开变成关时，切换会延迟，导致开关损失增加。使用双极元件的逆变器等功率电子产品，需要设置较低的工作频率，并减少开关次数来降低开关损失，以减少系统损失。

在电动汽车及铁路等领域，双极元件——硅制IGBT的使用十分广泛。通过将开关频率设为数k～20kHz左右，来减少开关损失。（日经技术在线！ 供稿）