2.6 一寸宽一寸强——宽禁带半导体器件

硅基半导体器件MOSFET、IGBT的发明将半导体器件在耐压、耐流、开关速度等方面向前推进了一大步，大大扩展了半导体器件的应用范围。600V以下，场效应晶体管（MOSFET）占据了市场应用的主导地位；而在600～6500V的应用中，超级结MOSFET和IGBT占据市场主导地位。但是Si功率器件的性能已经接近物理极限。随着电力电子技术的发展以及现代工业对于模块集成度、功率密度、效率要求的提高，各类元器件在缩小体积的同时必须不断提升性能，对于半导体器件来说，日益常见的高频调制和损耗要求使得科学家们去探索更优材料的器件来兼顾高频率开关与导通/开关损耗。

在过去的20年时间里，由碳化硅（SiC）制成的功率器件得到了广泛的研究，并形成了一定的商业化成果。SiC是一种IV-IV族的化合物材料，Si原子和C原子之间化学键作用使其具有独特的物理化学性质，例如极高的硬度、化学惰性和高导热率。科学家还发现了它作为半导体器件的独特优势：与Si材料相比，SiC微观层面上有更宽的能量带隙，载流子密度小，具有高温工作的能力；SiC材料能承受的临界电场强度是Si材料的好几倍；SiC材料同时还具有宽范围的阻断电压和频率，而“宽禁带”正是以碳化硅、氮化镓、金刚石等材料的半导体为代表的“第三代半导体材料”的明显特征之一。

材料学的发展是推动这些器件发展的主要因素之一。SiC的物理和化学稳定性使其晶体生长极为困难，曾严重制约了SiC半导体器件及其应用的发展。SiC本身在自然界比较少见，1824年瑞典科学家J.J.Berzelius在人工合成金刚石的过程中就已经观察到了碳化硅的存在。1892年E.G.Acheson提出由二氧化硅、碳和一些添加剂（例如，盐）合成SiC的工艺。此时，这些SiC片并不纯净。第一波SiC半导体研究热潮的到来得益于1955年J.A.Lely通过升华技术（Lely法）成功生长出较为纯净的SiC晶体，在此期间，半导体SiC的主要目标应用是高温器件和蓝色发光二极管的开发。尽管如此，由于Lely晶片尺寸小、材料供应不稳定等原因，SiC半导体的研发在20世纪70年代后期放缓，技术仍不成熟，反而是多晶SiC技术得以开发，SiC基陶瓷、发热元件、无源元件和热敏电阻被商业化。在20世纪八九十年代，Tairov、Matsunami、Larkin等科研人员不断改进SiC晶体的生长方法，为21世纪伊始SiC功率器件登上历史舞台打好了基础，做好了准备[7-14]。

自2001年英飞凌公司推出首款商用SiC肖特基二极管以来，SiC技术发展和市场增长势头强劲，SiC已在功率因数校正、照明、太阳能、不间断电源（UPS）、电动汽车等领域获得商业应用，并将使电力电子系统进一步向更高的效率和功率密度方向快速发展。虽然SiC本身可以在较高的温度下工作，但对其外围组件，如封装材料、外壳等还不成熟。除此以外，在实际使用过程中SiC器件的成本也是不得不计及的问题；在电路设计方面，SiC器件的开关速度比Si器件快得多，这给栅极驱动设计带来了挑战，SiC具有较低的沟道迁移率，这使得它不适合非常低的电压应用。

美国的Cree、Semisouth、Microsemi、GE、Onsemi等公司，欧洲的Infineon、ST，日本的Rohm、Mitsubushi、Hitachi等公司，和我国的中电55所、13所、中车时代、国扬电子、泰科天润、基本半导体、比亚迪和世纪金光等单位都相继推出SiC功率器件。国内的很多科研机构与高等院校也在开展SiC功率器件的研究，并积极与半导体器件制造厂商合作，开发出远高于商业化器件水平的实验室器件样品。如浙江大学的盛况教授2009年回国创建电力电子器件实验室，是国内较早开展碳化硅和氮化镓电力电子器件研发的团队，包括最早报道了碳化硅（SiC）功率集成芯片、在国内较早自主研制出了系列SiC芯片和模块（600～6000V/最高300A，SBD、JBS、MPS、JFET、MOSFET）等。复旦大学张清纯教授从国外知名企业高管到回国任教，再到投身创业，已成功推出了首款国内量产15V驱动SiC MOSFET以及国内最低导通电阻的1200V/14mΩ SiC MOSFET。电子科技大学张波教授领导的功率集成技术实验室被国际同行誉为“全球功率半导体技术领域最大的学术研究团队”和“功率半导体领域研究最为全面的学术团队”。团队提出功率高压MOS器件电荷平衡新理论，发明功率高压MOS衬底终端技术，提出多款低功耗功率器件新结构，研发出600～6500V系列IGBT并部分量产；发明GaN混合阳极横向功率整流器，率先实现硅基GaN HFET与整流器单片集成，研制出国内首颗功率GaN驱动IC并量产；开发电荷调制终端新技术，拓展万伏级SiC功率器件设计方法。

除了SiC外，科学家们还发现了一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料氮化镓（GaN），它也具有优良的电学、光学和机械特性，被广泛应用在电子器件和光电子器件领域。作为宽禁带半导体器件，GaN器件也拥有更高的击穿场强，从而有更低的导通电阻。GaN的高迁移率进一步降低了导通电阻，GaN器件能以更小的芯片尺寸实现功能，降低输入和输出电容，开关速度更快。

GaN器件有其独特的优势，但是与SiC器件相比有较低的热导率，限制了它在高温环境下的应用。GaN HEMT器件在拥有更高功率密度和更高效率的同时也带来更高的工作沟道温度。GaN器件容易受到沟道温度升高的影响，从而导致器件性能和可靠性的下降，自热现象正是GaN技术面临的主要问题之一。为了应对自热效应，人们采取了许多措施来散热，例如，在制备GaN时将其生长在SiC衬底上，利用SiC的高热导率来缓解自热效应。除此以外，基于GaN器件的变换器设计也要充分考虑到器件封装、PCB布局、栅极驱动要求等因素。

以SiC器件和GaN器件为代表的宽禁带半导体已逐渐得到应用。与此同时，研究人员和相关企业仍在研究开发其他的宽带隙材料。金刚石、氮化铝和氧化镓等具有更宽的禁带宽度，被称为超宽禁带半导体，未来有可能用来制造具有更低电阻、更高工作功率、更高耐温的功率器件，因此研发热度一直不减。

其中，金刚石半导体的热导率是SiC和GaN的5～10倍；更宽的能量带隙，导致其更适合高压、高功率运行需求，且有更好的电性能和较低的导通和关断损耗；更高的临界电场强度，具有更好的抗高温、抗辐射、抗电磁干扰等特点；更好的稳定性，更高的化学惰性，使其在高温、高辐照、强电场等极端环境下具有更高的可靠性。

有关金刚石器件的探索以及商用滞后于SiC器件与GaN器件，自英国1953年发现第一颗金刚石膜以来，一直到1991年，来自美国华盛顿大学的研究团队才首次制造了金刚石晶体管，开创了金刚石功率器件的研究。21世纪后，金刚石PN结二极管、金刚石场效应管相继在各国问世，但是目前金刚石器件的制造工艺和成本仍然较高，仍需要材料学、器件工艺学、封装技术的不断创新发展，其商业化推广仍面临一定的挑战[15]。