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導言：目前，功率半導體材料正迎來材料更新?lián)Q代，這些新材料就是SiC和GaN，二者的物理特性均優(yōu)于現(xiàn)在使用的Si，作為“節(jié)能王牌”受到了電力公司、汽車廠商和電子廠商等的極大期待。將Si換成GaN或SiC等化合物半導體，可大幅提高產(chǎn)品效率并縮小尺寸，這是Si功率半導體元件無法實現(xiàn)的。

“功率半導體”多被用于轉換器及逆變器等電力轉換器進行電力控制。目前，功率半導體材料正迎來材料更新?lián)Q代，這些新材料就是SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵），二者的物理特性均優(yōu)于現(xiàn)在使用的Si（硅），作為“節(jié)能王牌”受到了電力公司、汽車廠商和電子廠商等的極大期待。將Si換成GaN或SiC等化合物半導體，可大幅提高產(chǎn)品效率并縮小尺寸，這是Si功率半導體元件（以下簡稱功率元件）無法實現(xiàn)的。

目前，很多領域都將Si二極管、MOSFET及IGBT（絕緣柵雙極晶體管）等晶體管用作功率元件，比如供電系統(tǒng)、電力機車、混合動力汽車、工廠內的生產(chǎn)設備、光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率調節(jié)器、空調等白色家電、服務器及個人電腦等。這些領域利用的功率元件的材料也許不久就將被GaN和SiC所替代。

例如，SiC已開始用于鐵路車輛用馬達的逆變器裝置以及空調等。

電能損失可降低50％以上

利用以GaN和SiC為材料的功率元件之所以能降低電能損失，是因為可以降低導通時的損失和開關損失。比如，逆變器采用二極管和晶體管作為功率元件，僅將二極管材料由Si換成SiC，逆變器的電能損失就可以降低15～30％左右，如果晶體管材料也換成SiC，則電能損失可降低一半以上。

有助于產(chǎn)品實現(xiàn)小型化

電能損失降低，發(fā)熱量就會相應減少，因此可實現(xiàn)電力轉換器的小型化。利用GaN和SiC制作的功率元件具備兩個能使電力轉換器實現(xiàn)小型化的特性：可進行高速開關動作和耐熱性較高。

GaN和SiC功率元件能以Si功率元件數(shù)倍的速度進行開關。開關頻率越高，電感器等構成電力轉換器的部件就越容易實現(xiàn)小型化。

耐熱性方面，Si功率元件在200℃就達到了極限，而GaN和SiC功率元件均能在溫度更高的環(huán)境下工作，這樣就可以縮小或者省去電力轉換器的冷卻機構。

這些優(yōu)點源于GaN和SiC具備的物理特性。與Si相比，二者均具備擊穿電壓高、帶隙寬、導熱率高、電子飽和速率高、載流子遷移率高等特點。

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SiC制MOSFET的普及將從溝道型產(chǎn)品開始

功率元件用SiC晶體管雖已開始投產(chǎn)，但普及程度還不如二極管，還停留在極少數(shù)的特殊用途。這是由于SiC晶體管的制造工藝比二極管復雜，成品率低，因而價格高。并且，雖然速度在減緩，但Si晶體管的性能卻一直仍在提高。與二極管相比，“還有很大的發(fā)展空間”（技術人員）。就是說，目前可以方便地使用低價位高性能的Si晶體管。

因此，在不斷降低SiC晶體管成本的同時，發(fā)揮SiC的出色材料特性，追求Si無法實現(xiàn)的性能，此類研發(fā)正在加速推進。

SiC晶體管主要有MOSFET、JFET以及BJT三種。其中，最先投產(chǎn)的是JFET。

JFET雖然可以降低功率損失，但基本上處于“常開（Normally On）工作”狀態(tài)，即使不加載柵極電壓也會工作。一般情況下，在大功率的電源電路上，多希望實現(xiàn)不加載柵極電壓就不會驅動的“常閉工作”。JFET也有可以實現(xiàn)常閉工作的產(chǎn)品。然而，MOSFET因在原理上易于實現(xiàn)常閉工作，因此很多企業(yè)都在致力于研發(fā)MOSFET。

科銳（Cree）和羅姆已經(jīng)投產(chǎn)了MOSFET。但還稱不上是廣泛普及。原因除了價格高外，還沒有完全發(fā)揮出SiC的出色材料特性。其中導通時的損失大，為減少導通損失而降低導通電阻的研發(fā)正在進行。

降低導通電阻的方法是采用在柵極正下方開掘溝道。目前已經(jīng)投產(chǎn)的SiC制MOSFET都是“平面型”。平面型在為了降低溝道電阻而對單元進行微細化時，JFET電阻會增大，導通電阻的降低存在局限性。而溝道型在構造上不存在JFET電阻。因此，適于降低溝道電阻、減小導通電阻。

雖然溝道型可以降低導通電阻，但由于要在柵極正下方挖掘溝道，因此量產(chǎn)程度難于平面型。所以尚未投產(chǎn)。最早估計2013年羅姆等的產(chǎn)品將面世。

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GaN類功率元件可通過使用硅基板降低成本

GaN在LED及半導體激光器等發(fā)光元件及基站用高頻元件用途上實現(xiàn)了產(chǎn)品化，而功率元件用途的產(chǎn)品化才剛剛開始，落后于SiC。但這種情況也在變化。那就是制造成本的降低和電氣特性的快速提高。

GaN類功率元件之所以能夠降低成本，是因為可利用價格低而口徑大的硅基板。采用硅基板，可以使用6英寸以上的大口徑產(chǎn)品。比如，美國EPC公司及美國IR就使用硅基板，通過形成外延層而推出了GaN類功率元件產(chǎn)品。

對運行時導通電阻會上升的“電流崩塌”現(xiàn)象的抑制、耐壓等電氣特性的提高也在取得進展。以耐壓為例，盡管產(chǎn)品一般低于200V，但也有超過了1kV的研發(fā)品。

目前，投產(chǎn)GaN類功率元件的企業(yè)還很少，但預計從2012年會開始逐漸增加。而且，2015年前后，結晶缺陷減少至可用于功率元件用途的水平、口徑高達6英寸的GaN基板很可能會面世。如果在GaN基板上形成GaN類功率元件，便可比使用硅基板等不同種材料的功率元件更易提高電氣特性。

GaN和SiC將區(qū)分使用

2015年，市場上或許就可以穩(wěn)定采購到功率元件用6英寸SiC基板。并且，屆時GaN類功率元件除了硅基板之外，還有望使用GaN基板。也就是說，2015年前后，SiC制功率元件與GaN類功率元件就均可輕松制造了。

在對大幅減少電力轉換器中的電力損失以及縮小電力轉換器尺寸有強烈要求的用途方面，估計會采用SiC及GaN。兩種元件最初將根據(jù)使用終端的電力容量及開關頻率區(qū)分使用。

GaN將主要用于中低容量用途，SiC將主要用于大容量用途。而且，由于GaN制功率元件更適合高速開關動作，因此要求更高開關頻率的用途估計會采用GaN。