前言

　　在功率元器件的發展中，主要半導體材料當然還是Si。同樣在以Si為主體的LSI世界里，在“將基本元件晶體管的尺寸縮小到1/k，同時將電壓也降低到1/k，力爭更低功耗”的指導原理下，隨著微細加工技術的發展，實現了開關更加高速、大規模集成化。在功率元器件領域中，微細加工技術的導入滯后數年，需要確保工作電壓的極限（耐壓）并改善模擬性能。但是，通過微細化可以改善的性能僅限于100V以下的低耐壓范圍，在需要更高耐壓的領域僅采用微細加工無法改善性能，因此，就需要在結構上下工夫。21世紀初，超級結（SJ）-MOSFET注1進入實用階段，實現了超過MOSFET性能極限的性能改善。

　　然而，重要的特性——低導通電阻、柵極電荷量與耐壓在本質上存在權衡取舍的關系。在功率元器件中有成為單元的晶體管，將多個單元晶體管并聯可獲得低導通電阻。但這種做法需要同時并聯寄生于晶體管的電容，導致柵極電荷量上升。為了避免柵極電荷上升而進行微細化即將1個單元變小的話，耐壓能力又會下降。

　　作為解決這個問題的手法，除了像SJ-MOSFET一樣通過結構改善來提高性能，還通過變更材料來提高性能，就是使用了碳化硅（SiC） 注2和GaN注3這類寬禁帶（WBG）半導體注4的功率元器件。WBG材料的最大特點如表1所示，其絕緣擊穿電場強度較高。只要利用這個性質，就可提高與Si元件相同結構時的耐壓性能。只要實現有耐壓余量的結構，將這部分單元縮小、提高集成度，就可降低導通電阻。

　　本稿中將具體解說羅姆在“SiC”與“GaN”功率元器件領域的探索與發展。

　　羅姆在“SiC”功率元器件領域的飛躍發展

　　SiC（碳化硅）功率元器件是以碳和硅的化合物——碳化硅作為原材料制作而成。與以往的硅材料功率元器件相比，具有低導通電阻、高速開關、高溫作業的特點，所以許多研究機構和廠商將其視為新一代功率元器件，一直致力于對它的研發。由于其出色的性能，一直以“理想器件”備受期待的SiC功率器件近年來已得以問世。羅姆已批量生產SiC二極管和SiC-MOSFET，并于2012年3月開始批量生產內置上述兩種元器件的功率模塊。

　　①SiC-SBD（碳化硅肖特基勢壘二極管）：性能提升的第二代產品陸續登場

　　SiC‐SBD于2001年首次在世界上批量生產以來，已經過去10多年。羅姆從2010年開始在日本國內廠商中首次批量生產SiC-SBD，并且已經在各種機器中得到采用。與以往的Si-FRD（快速恢復二極管）相比，SiC-SBD可以大幅縮短反向恢復時間，因此恢復損耗可以降低至原來的三分之一。充分利用這些特性，在各種電源的PFC電路（連續模式PFC）和太陽能發電的功率調節器中不斷得到應用。

　　另外，羅姆備有耐壓600V、1200V的SiC-SBD產品線。并且將相繼銷售性能升級的第二代SiC-SBD。第二代SiC-SBD與以往產品相比，具有原來的短反向恢復時間的同時，降低了正向電壓。通常降低正向電壓，則反向漏電流也隨之增加。羅姆通過改善工藝和元器件結構，保持低漏電流的同時，成功降低了正向電壓。正向上升電壓也降低了0.1~0.15V，因此尤其在低負載狀態下長時間工作的機器中效率有望得到提高。

　　②SiC-MOSFET：有助于機器節能化、周邊零部件小型化發展

　　相對于不斷搭載到各種機器上的SiC-SBD，SiC-MOSFET的量產化，在各種技術方面顯得有些滯后。2010年12月，羅姆在世界上首次以定制品形式量產SiC-MOSFET。而且，從7月份開始，相繼開始量產1200V耐壓的第二代SiC-MOSFET “SCH系列”、“SCT系列”。

　　以往SiC-MOSFET由于體二極管通電引起特性劣化（MOSFET的導通電阻、體二極管的正向電壓上升），成為量產化的障礙。然而，羅姆改善了與結晶缺陷有關的工藝和器件結構，并在2010年量產時克服了SiC-MOSFET在可靠性方面的難題。

　　1200V級的逆變器和轉換器中一般使用Si材質IGBT。SiC-MOSFET由于不產生Si材質IGBT上出現的尾電流（關斷時流過的過渡電流），所以關斷時開關損耗可以減少90%，而且可實現50kHz以上的驅動開關頻率。

　　因此，可實現機器的節能化及散熱片、電抗器和電容等周邊元器件的小型化、輕量化。特別對于以往的Si材質IGBT，開關損耗比導通損耗高，在這種應用中進行替換，將具有良好效果。

　　③“全SiC”功率模塊：100kHz以上高頻驅動、開關損耗降低

　　現在，1200V級的功率模塊中，Si材質IGBT和FRD組成的IGBT模塊被廣泛應用。羅姆開發了搭載SiC-MOSFET和SiC-SBD的功率模塊（1200V/100A半橋結構，定制品）以替換以往的硅材質器件，并從3月下旬開始量產、出貨。通用品（1200V/120A半橋結構）也將很快量產。

　　作為替換硅材質器件，搭載SiC-MOSFET和SiC-SBD的模塊，可實現100kHz以上的高頻驅動。可大幅降低IGBT注5尾電流和FRD注6恢復電流引起的開關損耗。因此，通過模塊的冷卻結構簡化（散熱片的小型化，水冷卻、強制空氣冷卻的自然空氣冷卻）和工作頻率高頻化，可實現電抗器和電容等的小型化。

　　另外，由于開關損耗低，所以適于20kHz及更高開關頻率的驅動，在此情況下，也可以用額定電流120A的SiC模塊替換額定電流200-400A的IGBT模塊。

　　今后：羅姆將全面推動SiC元器件的普及

　　相對于已經具有大量采用實績的SiC-SBD而言，SiC-MOSFET和全SiC功率模塊的真正采用現在才開始。相對以往硅材質器件的性能差別和成本差別的平衡將成為SiC器件真正普及的關鍵。羅姆在兩個方面進行著技術開發：①基于SiC電路板大口徑化，降低SiC器件成本 ②相對硅材質器件，開發在性能上具有絕對優勢的新一代SiC器件。今后，羅姆將通過擴大普及SiC器件 ，助力于全球范圍內實現節能和減少CO２的排放。

　　羅姆在“GaN”功率元器件領域的前沿探索

　　GaN功率元器件是指電流流通路徑為GaN的元器件。“GaN”曾被作為發光材料進行過研究，現在仍然作為已普及的發光二極管（LED）照明的核心部件藍色LED用材料廣為使用。同時，還有一種稱為“WBG”的材料，與發光元件應用幾乎同一時期開始研究在功率元器件上的應用，現已作為高頻功率放大器進入實用階段。

　　GaN與Si和SiC元件的不同之處在于元件的基本“形狀”。圖1為使用GaN的電子元器件的一般構造。晶體管有源極、柵極、漏極3個電極，Si和SiC功率元器件稱為“縱向型”，一般結構是源極和柵極在同一面，漏極電極在基板側。GaN為源極、柵極、漏極所有電極都在同一面的“橫向型”結構。在以產業化為目的的研究中，幾乎都采用這種橫向型結構。

　　之所以采用橫向型結構，是因為希望將存在于AlGaN/GaN界面的二維電子氣（2DEG）作為電流路徑使用。GaN既是具有自發電介質極化（自發極化）的晶體，也是給晶體施加壓力即會重新產生壓電極化（極化失真）的壓電材料。AlGaN與GaN在自發極化存在差別，由于晶格常數不同，如果形成如圖1中的AlGaN/GaN異質結，為了匹配晶格常數，晶體畸變，還會發生極化失真。因這種無意中產生的電介質極化之差，如圖2所示，GaN的禁帶向AlGaN下方自然彎曲。因此，其彎曲部分產生2DEG。由于這種2DEG具有較高的電子遷移率（1500 cm2/Vs左右），因此可進行非常快的開關動作。但是，其另外一面，相反，由于電子流動的路徑常時存在，因此成為柵極電壓即使為0V電流也會流過的稱為“常開型（normally-on）”的元件。

　　正如之前所提及的，對WBG材料的最大期待是提高耐壓性能。由于SiC基本可以實現與Si相同的縱向型結構，因此發揮材料特性的耐壓性能得以提升。但是，GaN則情況不同。圖1所示的橫向型結構較難提升耐壓性能，這一點通過Si元件既已明了，只要GaN也采用圖1的結構，物理特性上本應實現的耐壓性能就很難發揮出來。但是，本來對WBG材料的期待就是耐壓特性，因此，發布的GaN元器件多為耐壓提升產品。但是，提升耐壓性能的方法基本上只能通過增加柵極/漏極間的距離，而這樣芯片就會增大，芯片增大就意味著成本上升。

　　只要采用圖1的結構，GaN功率元器件的特點不僅是耐壓性能，還有使用２DEG的高速電子遷移率而來的高頻動作性能。因而，GaN晶體管常被稱為GaN-HEMT注7。

　　GaN”功率元器件的特性：確保高頻特性并實現高速動作

　　羅姆開發的“常開型（normally-on）”型元器件的特性見表2，是柵極寬度為9.6cm的元器件，命名為“HEMT”，可查到的其高頻特性的文獻非常少。起初羅姆以盡量確保高頻特性為目標進行了開發，結果表明，羅姆的“常開型（normally-on）”元器件的動態特性非常優異。表中的td（on）、tr、td（off）、tf等特性指標表示高速性能。由于是“常開型（normally-on）”元器件，因此柵極進入負電壓瞬間，元器件關斷，0V時元器件導通。符號表示方法是：柵極電壓信號關斷時（元器件開始向ON移行時）為t = 0，源極/漏極間電壓Vds減少到施加電壓的90%之前的時間為td（on），從90%減少到10%的時間為tr，另外，柵極電壓信號導通時（元器件開始向OFF移行時）為t = 0，Vds增加到施加電壓的10%之間的時間為td（off），從10%增加到90%的時間為tf。

　　在現有的Si功率元器件中，td（on）、tr、td（off）、tf多為幾十 ns～100 ns左右，而在GaN-HEMT中，全部為數ns左右。假設進行10 MHz、duty50%的脈沖動作，ON/OFF時間僅為50ns，上升下降僅10ns，脈沖的實質寬度已達30ns，無法確保矩形的波形。而使用這種元器件則無此問題，10 MHz亦可動作。

　　對于GaN-HEMT來說，棘手的問題是電流崩塌。這是根據漏極電壓的施加狀態導通電阻發生變動的現象?？梢杂^測到使開關頻率變化時導通電阻變動、在Vds導通（ON）時無法完全為0V、關斷（OFF）時無法返回到施加電壓的現象。

　　羅姆的“常開型（normally-on）”元器件使柵極電壓的開關頻率變化時的Vds表現如圖3所示。由于沒有優化柵極驅動器，在10MHz存在duty沒有達到50%的問題，但在這個頻率范圍內，沒有發現引起電流崩塌的趨勢。因此，可以認為，只要解決“常開（normally-on）”這一點，即可證明GaN卓越的高速動作性能。

　　今后：羅姆將積極推進常關型元器件的特性改善并進行應用探索

　　面向GaN元器件的發展，正因為幾乎所有的應用都是以“常關”為前提設計的，因此“常關化”的推進成為了時下的當務之急。如今羅姆正致力于推進高頻特性卓越的常關型元器件的特性改善，同時也在進行應用探索。為呈現出GaN最閃耀的應用和只有GaN才能實現的應用而加大開發力度，將不斷帶來全新的技術體驗。

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　　注1：SJ-MOSFET

　　超級結MOSFET的縮寫。即超級結金屬氧化物場效應三極管。

　　注2：SiC

　　Silicon Carbide的縮寫。即碳化硅，是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑為原料通過電阻爐高溫冶煉而成。

　　注3：GaN

　　即氮化鎵，屬第三代半導體材料，六角纖鋅礦結構。

　　注4：寬禁帶（WBG）半導體

　　寬禁帶半導體材料（Eg大于或等于3.2ev）被稱為第三代半導體材料。主要包括金剛石、SiC、GaN等。

　　注5：IGBT

　　IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。

　　注6：FRD

　　快速恢復二極管（Fast Recovery Diode，縮寫成FRD），是一種具有開關特性好、反向恢復時間短特點的半導體二極管。

　　注7：HEMT

　　高電子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistor），是一種異質結場效應晶體管，又稱為調制摻雜場效應晶體管（MODFET）、二維電子氣場效應晶體管（2-DEGFET）、選擇摻雜異質結晶體管 （SDHT）等。這種器件及其集成電路都能夠工作于超高頻（毫米波）、超高速領域。

　　市場增長顯露曙光

　　使用碳化硅的功率半導體元件在實現逆變器等電力轉換裝置的小型化及減少損失方面比較有效，因此相關元器件企業正在積極推進產品開發。昭和電工稱，此次增加產能的原因在于，“在家電產品等低電壓低電流應用領域，已開始逐漸產生實際需求，而且在鐵路車輛及工業設備等高電壓、大電流領域，開發項目也在增多”。碳化硅元件與作為競爭對手的硅元件相比，價格較高，這已經成為實現普及的瓶頸，但如果優質外延晶圓的供應量增加，便有望降低元件成本（圖1）。

　　圖1 昭和電工4英寸碳化硅外延晶圓

　　通過在存在結晶缺陷的碳化硅晶圓上形成均質的外延層，可提高以此為基礎制造的元器件的性能及成品率。

　　實際上，推進碳化硅元件開發的企業活動正日趨活躍。開拓該領域市場最為積極的羅姆公司于2012年3月舉行了媒體說明會，公布了關于碳化硅相關業務的展望。該公司稱，雖然2010年的銷售額僅為17億日元，但2011年達到35億日元，實現了倍增，預計2012年將增長到50億日元。并宣布2014年力爭實現160億日元的銷售額。

　　開展碳化硅元件業務的企業還有三菱電機公司和富士電機公司等多家企業，但各家企業在銷售預測方面均持慎重態度，大多未具體公布幾年后的目標。從羅姆此次公布相關信息可以看出，碳化硅元件用戶企業正從開發階段穩步進入實際需求階段。

　　應用范圍逐步拓寬

　　逆變器是應用功率半導體的代表性產品。這是一種將直流電轉變為交流電的電力轉換裝置，如果用于驅動交流馬達，可根據負荷控制轉數，因此可大幅實現節能。在日本，早就開始將之應用于空調及洗衣機等領域。今后，如果能進一步應用于產業馬達等領域，從整體來看，將有望實現非常大的節能效果。這是因為，日本目前約60％的電力消費在于馬達，但其中逆變器的利用率僅為10％左右（圖2）。

　　圖2 馬達耗電量占整體耗電量的60％

　　據稱其中逆變器利用率僅為10％。

　　不僅限于驅動馬達，逆變器及轉換器（將交流轉換為直流）等電力轉換裝置被廣泛應用于各種用途。在大量使用太陽能電池和定置式蓄電池等直流裝置的智能電網等領域，今后尤其需要用到這些裝置。而且在提高充電電池直流電壓，以驅動馬達的混合動力車（HEV）及純電動汽車（EV）領域，也是關鍵裝置。大量使用直流設備的數據中心等對小型高效電力轉換裝置的需求也非常大（圖3）。

　　圖3 功率半導體應用領域

　　電力轉換器用于多種領域，可提高馬達及電源電路的能源利用效率。

　　功率半導體市場發展潛力巨大

　　再來看看電力轉換裝置所使用的普通硅功率半導體市場。2010年全球半導體市場規模約為25萬億日元（按1美元80日元換算，以下同），而其中作為功率半導體代表的功率MOSFET約為5000億日元，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）為2500億日元左右。雖然從金額來看，規模比較小，但增長潛力較大，調查公司IHSiSuppli Japan預測，到2015年，功率MOSFET將增長到約1萬億日元，絕緣柵雙極型晶體管將達到4000億日元左右，兩者合在一起，或許能在5年時間內實現倍增。

　　這一發展趨勢的背景原因，不僅是發達國家出現節能熱，還有新興市場國家快速的經濟發展。電力轉換裝置有望出現在社會各個領域，成為一種“生活必需品”，隨著人口較多的新興市場國家現代化的發展，將會產生大量需求。

　　硅半導體的設計技術及制造技術均已成熟，能夠以低成本進行大量生產。但另一方面，由于材料特性的原因，其性能存在極限，無法用于某些用途。碳化硅和氮化鎵將通過突破硅的性能極限來開拓新市場（圖4）。

　　圖4 新一代功率半導體可超越硅的性能極限

　　碳化硅主要適合用于大電力領域，氮化鎵適合用于低電力、轉換速度較快的領域。并且，由于可實現低損耗及小型化，因此還可替代現有的硅元件。

　　新產品新技術相繼問世

　　帶隙是半導體的基本特性，碳化硅和氮化鎵的帶隙比硅大3倍左右，絕緣破壞電場也高一位數。在高溫下也能工作，流經電流時的阻力（導通電阻）較小，也就是能夠制造能量損失較小的元器件（圖5）。

　　圖5 碳化硅與氮化鎵的材料物性（a）與做成元件后的優點（b）

　　在日本，京都大學和產業技術綜合研究所等很早就開始關注上述新材料，一直在推進基礎研究及元器件研究。并且，官方研究機構和民營企業之間也合作實施了多個研究項目。2010年，經濟產業省、內閣府、產綜研及新能源產業技術綜合開發機構等啟動了更注重實用化的新研究項目，也有多家民營企業參加。由于這些項目涉及晶圓制造技術、元器件技術、系統技術及生產技術等多方面，因此經濟產業省于2010年建立了旨在推動項目間合作的組織“碳化硅聯盟”，目前正在提高運營效率。

　　上述研究項目已開始逐漸取得成果，近年來，有多家企業相繼公布了與新一代功率半導體相關的新產品及新技術。