功率半导体的革命：SiC与GaN的共舞

法是采用在栅极正下方开掘沟道。目前已经投产的SiC制MOSFET都是"平面型"。平面型在为了降低沟道电阻而对单元进行微细化时，JFET电阻会增大，导通电阻的降低存在局限性。而沟道型在构造上不存在JFET电阻。因此，适于降低沟道电阻、减小导通电阻。

　　虽然沟道型可以降低导通电阻，但由于要在栅极正下方挖掘沟道，因此量产程度难于平面型。所以尚未投产。最早估计2013年罗姆等的产品将面世。

　　GaN类功率元件可通过使用硅基板降低成本

　　GaN在LED及半导体激光器等发光元件及基站用高频元件用途上实现了产品化，而功率元件用途的产品化才刚刚开始，落后于SiC。但这种情况也在变化。那就是制造成本的降低和电气特性的快速提高。

　　GaN类功率元件之所以能够降低成本，是因为可利用价格低而口径大的硅基板。采用硅基板，可以使用6英寸以上的大口径产品。比如，美国EPC公司及美国IR就使用硅基板，通过形成外延层而推出了GaN类功率元件产品。

　　对运行时导通电阻会上升的"电流崩塌"现象的抑制、耐压等电气特性的提高也在取得进展。以耐压为例，尽管产品一般低于200V，但也有超过了1kV的研发品。

　　目前，投产GaN类功率元件的企业还很少，但预计从2012年会开始逐渐增加。而且，2015年前后，结晶缺陷减少至可用于功率元件用途的水平、口径高达6英寸的GaN基板很可能会面世。如果在GaN基板上形成GaN类功率元件，便可比使用硅基板等不同种材料的功率元件更易提高电气特性。

　　GaN和SiC将区分使用

　　2015年，市场上或许就可以稳定采购到功率元件用6英寸SiC基板。并且，届时GaN类功率元件除了硅基板之外，还有望使用GaN基板。也就是说，2015年前后，SiC制功率元件与GaN类功率元件就均可轻松制造了。

　　在对大幅减少电力转换器中的电力损失以及缩小电力转换器尺寸有强烈要求的用途方面，估计会采用SiC及GaN。两种元件最初将根据使用终端的电力容量及开关频率区分使用。

　　GaN将主要用于中低容量用途，SiC将主要用于大容量用途。而且，由于GaN制功率元件更适合高速开关动作，因此要求更高开关频率的用途估计会采用GaN。

　　SiC功率元件有望降低成本，SBD或将降至硅二极管的两倍

　　与硅制功率半导体元件相比，SiC制功率元件的电力损失小，可以高速开关，而且耐热性高等，性能更加出色。SiC制肖特基二极管（SBD）于2001年投产，SiC制MOSFET于2010年投产，其中SiC制SBD已被配备于空调及铁路车辆用逆变器等，SiC制功率元件的采用正在逐步扩大。

　　新日本制铁开发的6英寸SiC基板

　　但SiC制功率元件要进一步普及到混合动力车及电动汽车等电动车辆、工业设备以及白色家电的电源电路等领域，价格及性能方面还存在课题。SBD仍十分昂贵，SiC制MOSFET不仅价格高，而且没有完全发挥出SiC的出色材料特性。不过，有助于解决这些问题的研究成果接连问世（表1）。

　　6英寸基板将于2012年面世

　　对降低SiC制功率元件的成本十分重要的是，制造元件时使用的基板的大小。基板的口径越大，功率元件的生产效率越高，也就越有利于降低成本。

　　目前已产品化的功率元件用SiC基板的最大口径是4英寸，估计6英寸产品最早将会在2012年内面世。除了SiC基板份额居首的美国科锐之外，新日本制铁也宣布将在2012年开始样品供货SiC基板。2015年以后，估计会有多家企业提供基板，而且结晶缺陷更少。

　　与3英寸扩大至4英寸相比，口径扩大至6英寸对降低成本起到的作用更大。其原因是，目前硅制功率元件都使用口径为6～8英寸的硅基板制造，6英寸SiC基板面世后，更加便于在生产SiC制功率元件时沿用现有装置。

　　据法国调查公司Yole Developpement介绍，采用4英寸基板的SBD价格为每安培输出电流约16美分。采用6英寸基板之后，有望降至每安培10美分以下。

　　目前，用于电源电路用途的硅制二极管方面，"耐压600V、输出电流为5A的产品为25日元左右"（功率半导体技术人员）。也就是说，如果6英寸基板能够稳定供应，SiC制SBD的价格将降至硅制二极管的1.5～2倍左右。如果能够实现这样的价格，估计SiC制SBD将会"迅速普及"（该技术人员）注1）。

　　注1） 6英寸基板面世后，便于生产电动车辆所需要的、每个芯片可承受100A以上大电流的10mm见方以上大尺寸芯片。
　　导通电阻降至1/20以下

　　SiC制SBD的普及出现曙光，而SiC制MOSFET的开发焦点则是如何发挥SiC的出色材料特性。其中，为减少导通时的损失而降低导通电阻的研发正在推进之中。目标是将导通电阻降至Si制功率元件的1/10以下。

罗姆2011年12月发布了实现这一目标的沟道型