功率半导体的革命：SiC与GaN的共舞

MOSFET。通过减小通道电阻及基板电阻，降低了导通电阻，从而在耐压600V下实现了0.79mΩcm2的导通电阻，在耐压1200V下实现了1.41mΩcm2（图1）。据该公司介绍，与原来的硅制MOSFET相比，导通电阻不到1/20，与已量产的SiC制MOSFET相比也不到1/7。

　　图1：在耐压600V下导通电阻低于1mΩcm2

　　罗姆试制出了在耐压600V下导通电阻低于1mΩcm2的沟道型SiC制MOSFET。与该公司的原产品相比，通道电阻约降低了80％，基板电阻约降低70％，导通电阻还不到一半（a）。通过采用栅极和源极都形成沟道的"双沟道构造"，减轻了栅极部分的电场集中效应（b）。

　　罗姆表示将在争取2013年度内使沟道型SiC制MOSFET实用化。

　　内置回流二极管

　　在提高SiC制MOSFET性能的同时，通过减少部件数量，抑制采用SiC制功率元件时的成本增加的研发也在进行之中。

　　典型例子是松下2011年12月作为研发成果发布的内置有回流二极管的SiC制MOSFET。该产品通过内置回流二极管来减少逆变器电路中的部件数量，从而实现了电路的低成本化及小型化。

　　此前，MOSFET内置的二极管启动电压高达约2.5V，难以达到实用水平。而松下的试制品将该电压降低到了0.5V。而且，据松下介绍，SiC制二极管的温度特性优于普通SBD（图2）。尽管松下没有具体的商业化计划，但估计约两年后可以解决实用化所面临的技术课题。

　　图2：温度特性优于SiC制SBD

　　松下试制出了内置有回流二极管的SiC制MOSFET。据该公司介绍，与普通的SiC制SBD相比，内置二极管的温度特性十分出色。获得某一电流输出值所需要的正向电压在高温下也不易发生变化。

　　氧化镓比SiC耐压高且损耗低

　　"实际上Ga2O3是很有意思的材料"（熟知功率半导体元件的研究人员）。

　　与正作为新一代功率半导体材料而在推进开发的SiC（碳化硅）及GaN（氮化镓）相比，因有望以低成本制造出高耐压且损耗低的功率半导体元件（以下称功率元件），作为氧化镓一种的β型Ga2O3吸引了众多目光。

　　契机是日本信息通信研究机构（NICT）、田村制作所及光波公司共同开发出的β型Ga2O3晶体管（图1）注1）。具体就是把肖特基结型金属用作栅极电极的"MESFET"（金属半导体场效应晶体管，metal-semiconductor field effect transistor）。

　　注1） 此次的部分开发是通过NEDO的委托业务"节能革新技术开发业务——挑战研究‘超高耐压氧化镓功率元件的研发’"实施的。基板制造由田村制作所与光波公司负责，外延层形成由京都大学、东京工业大学及田村制作所负责，工艺由NICT负责。

　　尽管该晶体管采用不形成保护膜（钝化膜）的简单构造，但耐压却高达257V，漏电流仅为5μA/mm。"本来是抱着能工作就可以的期望制造的，但结果却好得超出了想象。这是只有氧化镓才能实现的值"，NICT未来ICT研究所超高频ICT研究室主任研究员东胁正高开心地表示。

　　材料性质比SiC及GaN还要出色

　　比SiC或GaN耐压高且损耗低的功率元件之所以能够实现，是因为其材料性质参数比两种材料都要出色（图2（a））。其中，带隙和绝缘破坏电场较大。

　　图3 NICT等利用β型Ga2O3试制出了晶体管（a、b）。尽管构造简单，但耐压高达257V（c）。（（a）的图片来自于NICT等）

　　在Ga2O3中，化学性质比较稳定的是β型，其带隙为4.8～4.9eV。该数值是硅的4倍以上，而且高于3.3eV的SiC和3.4eV的GaN。绝缘破坏电场为8MV/cm左右，相当于硅的20倍以上、SiC或GaN的两倍以上。

　　图4 β型Ga2O3的带隙及绝缘破坏电场特别大，低损耗性指标"Baliga性能指数"较高（a）。因此，制造相同耐压的功率元件时，β型Ga2O3与GaN或SiC相比，导通电阻会变小（b）。

　　因此，从理论上来说，制造相同耐压的单极性功率元件时，β型Ga2O3与SiC或GaN相比，可以减小导通电阻（图2（b））。而导通电阻的降低，有助于减少电源电路中的电力损耗。

　　耐压上也有望超过SiC。比如，通过设置形成保护膜来减轻电场向栅极集中的"场板"的单极晶体管，"估计可达到3k～4kV"（NICT的东胁）。

　　而单极元件——SiC制MOSFET的耐压一般为1kV左右，提高了耐压的双极元件"应该也很难达到3kV以上"（东胁）。
　　β-Ga2O3还有一个特点，就是在制作基板时可采用"FZ（floating zone，悬浮区熔法）"及"EFG（edge-defined film-fed growth，导模法）"等溶液生长法，这两种生长法能够以低成本量产结晶缺陷少且口径大的基板。

FZ法及EFG法已被实际用于蓝宝石基板的制造。蓝宝石