日本研制双材料功率半导体 结合SiC与GaN优点

因矽质材料功率半导体效能逼近物理极限，第三类半导体材料中，SiC(碳化矽)能承受较高的电压与电流，GaN(氮化镓)在低电压高频用途领域表现优於SiC，但可靠性较差；AIST(日本产业技术综合研究所)为结合2种材料优点，研发将SiC与GaN合为一体的功率半导体，目前已完成样品试制。

日本经济新闻(Nikkei)报导，SiC目前已用在火车与再生能源发电设备上，GaN则适用於手机快速充电器等领域。本来是各拥市场，但随电动车普及，汽车马达等动力部位适用SiC，导航显示与通讯系统应用GaN有其优点，产业界便有想法欲结合二者优点的产品。

根据AIST公布数据，该单位改造现有4寸SiC实验生产线，在SiC基板与二极管上追加GaN晶体管，制成定格电流20mA、崩溃电压(breakdown voltage)约1,200V水准的小型零件，汲极电流(drain current)高达300mA/mm，而导通电阻(on-resistance)仅47Ωmm，多次反覆测试均能稳定运作。

当下GaN晶体管在功率半导体领域应用的主要弱点，就是电路上没有吸收过电压的二极管，电路异常时容易受损，AIST就是在GaN回路中追加SiC二极管，将异常电流转换为热。考量SiC热传导率是矽的3倍，双材料强化GaN可靠性，也能兼顾GaN材料的优点。

定格电流仅20mA的产品，不适用於设想的电动车等高电压环境用途市场，因此这种双材料功率半导体还不会马上问世。AIST下一个目标是制造定格电流超过10A的产品，届时才会上市推广，供应电动车逆变器或太阳能发电系统控制装置等市场。

虽然比SiC与GaN更优良的功率半导体材料，如GaO(氧化镓)或其他的碳化合物，已经在研究中，但AIST的先进高功率电子技术研究中心功率元件研究小组的组长原田信介表示，GaO等材料到技术成熟时间仍久，更不用说缺生产线，活用既有SiC与GaN生产线的双材料产品，在新材料成熟前仍大有可为。

责任编辑：张兴民