【功率半导体】（二）：SiC和GaN为何适作功率元件【2】

可在高温下工作也是一大优点

宽带隙半导体的优点并不仅仅是导通电阻低。这种半导体还具有可在高温下工作的优点。随着温度的升高，热量会使电子空穴对的生成更为活跃，半导体的逆向漏电流也会增加。工作温度因元件的种类、构造及耐压不同而异，但硅材料的实用极限结温为150～200℃左右。考虑到半导体元件的热阻，需要使安装元件的散热片的温度低于结温。由于这种原因，在功率电子领域，散热措施成了重要的技术课题。

SiC及GaN因带隙很大，所以很难因热量的作用而生成电子空穴对。因此，就算结温达到300℃，原理上超过500℃，也仍然可以发挥功率元件的功能。

如果能在300℃条件下工作，就可将水冷变成强制空冷，将强制空冷变成自然空冷，大幅简化冷却机构。冷却机构的简化有助于大幅降低系统成本、缩小外形尺寸并减轻重量。而且，不再需要水冷泵及冷却扇等辅机，装置的维护也会简化，从产品总体来看，这会成为一大优点。宽带隙半导体的确是最适合功率元件的材料。

实现高品质SiC的晶体生长

宽带隙半导体材料的确拥有极佳的物性，但以前很难进行晶体生长（这是实现功率元件的基础），所以并没有被人们当做功率元件的有力材料。在介绍最近的研发动向之前，笔者想简单回顾一下SiC及GaN的研究历史。

SiC与硅及GaAs不同，在SiC状态下不会熔融，所以很难从溶液开始生长。因此，很难获得SiC块状晶体（晶圆）。关于SiC，1980年之前的主要研究内容是在硅基板上进行SiC晶体异质外延生长。虽然人们希望能够以低廉的成本在大面积硅基板上获得SiC，但因硅与SiC的晶体构造不同，晶格也不匹配，所以获得的SiC晶体存在很多缺陷，采用这种晶体试制的SiC元件没有显示出人们所期待的性能。

1980年代，日本京都大学教授松波弘之（现任京都大学名誉教授）感觉到了硅基板的局限性，从研磨材料工厂（SiC也可用作研磨材料）提供的SiC多晶体中找出了数mm的SiC大晶体，并开始研究如何在SiC晶体上生长可供电子元件使用的高品质SiC。但是，SiC拥有会形成多种晶体构造的棘手性质，将SiC用于基板时，未能获得良好的晶体。

转机出现在1987年前后。松波发现，如果将基板的晶体表面相对于稳定的晶体面倾斜几度，生长层的晶体构造就会统一起来，从而使晶体品质获得飞跃性提高。根据其原理，松波将其命名为“台阶控制外延”技术。这项技术是现在制作SiC功率元件的基本技术，在世界各地获得了广泛使用。

几乎在台阶控制外延技术问世的同时，美国风险企业科锐（Cree）启动了通过升华法获得SiC块状晶体的业务。由此，晶圆（基板）供应有了眉目。另外，当时科锐以采用SiC的蓝色LED为目标，推进了SiC晶圆开发。目前，科锐通过在SiC晶圆上生长GaN而不是SiC来生产蓝色LED芯片。

至此，高品质外延生长技术和块状基板等元件制造所不可缺少的要素已全部具备。后来，松波等人于1995年成功试制出耐压1750V的SiC制SBD，以此为契机，SiC功率元件的研发在世界各地活跃起来，至今仍然如火如荼。