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本文4149字，阅读约需10分钟 摘 要：几乎所有带有电源电路的电子设备都装有半导体器件，以控制电流开/关的功率，半导体器件是我们生活中不可缺少的一部分。产综研正在进行一项研究，减少功率半导体器件的功率损耗（高效率），提升其速度（高速）、增加其耐久性（高耐性）。这三种性能是一种权衡关系，很难用一种材料全部实现。氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）这两种材料大有希望成为下一代半导体材料。产综研聚焦这两种材料，开发了一种结合了二者特性的混合功率半导体，并在2021年成功完成了世界首次运行演示。该成果不仅可以应用于家用电气产品，还可应用于发电设备、电动汽车、火车等交通工具，甚至是输电设施、工业设备和无人机等各种应用场景。该研究有望减少全世界电子设备电源在开/关时的功率损耗，产生前所未有的节能效果。将这两种半导体材料合二为一的想法源自哪里？技术要点、未来发展又如何？针对这些问题，本文对研究人员进行了采访。 关键字：混合型功率半导体、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、下一代功率半导体材料、功率半导体器件 电子产品广泛应用于人们的日常生活。几乎所有的电子产品都会用到“功率半导体器件”来控制电源转换。电源转换需要能够以高速（每秒1000至100万次）开关高电压和大电流的开关。机械开关需要靠人为地不断开、关电源，无法完成这种控制，需要利用半导体的特性，由电信号来控制开/关。 在肉眼看不到的地方，电力损耗正悄然发生。在长时间使用交流适配器后，通常适配器会发热。这并非适配器的故障，而是电阻使部分电能转化为热量，导致电能损失。这种电能损失不仅发生在小小的交流适配器中，还同样发生在其他电子产品、工业设备，甚至处理大量电力的发电站和变电站等大型设施中。如果能减少这部分电力损耗，就能对节电、节能做出巨大贡献，因此，全球都在进行关于提高功率半导体器件性能的研究和开发。 理想的功率半导体器件应该是：①具备“耐久性”，在关闭状态下具有无限的耐压能力；②“无损耗”，在开启状态下具有像超导一样的零电阻；③“超高速”，开启关闭的切换时间无限接近于零秒。然而，在实际的功率半导体器件中，根据所采用的材料的不同，①-③的性能各自有一个有限的值，而这三种性能的实现是一个此消彼长的权衡关系。 对功率半导体器件的研究始于1960年代。长久以来，科研人员采用由硅（Si）制成的半导体晶体作为半导体材料。功率半导体器件通常需要处理高电压和大电流。近年来，随着电容的增加，硅的物性正在接近其极限。为了提升上述处于权衡关系当中的三种性能，研究人员开始尝试开发采用硅以外的材料制成的新型半导体器件。 目前，碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）和金刚石（C）被认为是最具前景的下一代功率半导体材料。在这些化合物中，电子（-）和空穴（+）从价带跃迁到导带所需的能量（带隙）比传统硅要高两倍以上，因此采用这些材料的半导体通常被称为“宽带隙半导体”。
从原子周期表看半导体材料特性 与传统材料半导体相比，使用硅（Si）和碳（C），或镓（Ga）和氮（N）的半导体跃迁能量更大，因而称为“宽带隙半导体” 目前，在宽带隙半导体的研究当中，SiC材料半导体的研究最为深入，这种半导体有高功率和高可靠性的优点。目前，直径200mm的大型衬底已经投入实际使用，并已经安装于日本的N700系列新干线，以及特斯拉等电动汽车。然而，由于材料特性，很难进一步提升其运转速度。 GaN是研发水平仅次于SiC的材料，对于GaN的研究已经持续了很长时间。最初，GaN是蓝色发光二极管（LED）的材料，它作为白色LED光源，为各种照明的节能做出了贡献。最近，将这种材料用于功率半导体器件的相关研究也取得了进展，例如，在笔记本电脑充电器等产品的产品说明当中就越来越多地出现这种材料。由于其在开启状态下导通损耗低，且开关切换动作速度快，因此被用于交流适配器等低功率应用。但GaN也存在缺点，比如极轻微的噪音就会破坏其元件，因此与SiC相比，其耐久性仍存在问题。 如上所述，用于宽带隙半导体的每种材料都有其自身的特点和问题，可以预测，如采用单一材料，其性能将在不久的将来达到极限，就像硅一样。 为突破这一限制，产综研先进电力电子研究中心的功率器件团队已开始挑战新的研究。 团队成员中岛昭回忆道：“起初的想法十分简单，我们认为，如果能够建立一种集成多种材料的混合型功率半导体器件，那么是否就能实现单一材料不可能实现的性能。”因此，团队聚焦于SiC和GaN这两种具备互补特征的材料，建立假说，取长补短，保留GaN的导通损耗低、开关切换动作速度快的特征，同时采用SiC来弥补其元件容易被噪音损坏的问题。
碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）作为半导体材料的共性 SiC和GaN这两种材料不仅具有互补的特点，而且相互之间的亲和性也很高。上述表格的详细分解如下。首先，晶格常数是晶体中原子之间的间距，是使材料单晶生长的重要因素。其次，介电击穿强度表示给一种材料施加多少伏电压后该材料会损坏，是表示材料电气强度的数值，该数值如上表所示，表明该材料可以承受最高每厘米280万伏特的电压。这两个值越接近相同，两种材料之间的亲和性就越高。SiC和GaN的数值几乎相同，因此可以预测，在SiC衬底上能够生长高质量的GaN单晶，从而制造出高性能的功率半导体器件。 如何对材料“各取所长”？其基础概念是“单片化”。 “单片化”（monolithic）一词源于“monolith”，即“单块巨石”，是指将多个器件集成到一个固体块中，“单片化”可以说是半导体集成技术的终极形式。单片化的过程如下。在SiC衬底上形成具有p+型和n型SiC的二极管结构。然后在其上方制作GaN晶体管结构。这两种化合物不是简单地堆叠在一起，而是被制成一个单片化的晶体。
本次开发的混合型晶体管的结构 “因为这两种材料是一体化的，因此二者做为单一的部件整体运作。如此一来，制作复杂的电路变得更容易，速度更快、性能也更可靠。例如，目前计算机的CPU是由半导体制成的，其中包含100亿个单片化器件。如此大量的器件通常很容易发生故障，但单片化使100亿个器件作为一个部件运行，因此不容易发生故障，性能也更加可靠。” 单片化得以实现，是SiC和GaN两个领域的专家将各自领域的专业知识和经验相互碰撞的结果。 “'为什么不尝试这种工艺？’——'要做这种工艺得花10年。’两种材料的专家之间会发生这种不同意见的碰撞。这种想法上的分歧成为了新的刺激。例如，倾斜衬底能使晶体生长这一诀窍对SiC是有效的，但对于GaN，由于其特性，几乎无法倾斜。就这样，在一个个的差异和想法相互碰撞的过程中，有时会诞生出意想不到的新的解决方案。” 通过将具有不同知识和经验的研究人员混编在一个团队当中，使团队本身也“混合”在一起，大家齐心协力，形成了“单片化”的团队。
在直径100毫米的衬底上制造的GaN-SiC混合功率半导体器件 为对本概念进行示范，本次开发了一个额定电流约为5mA的小型晶体管。 “目前仍处于原型开发阶段，所以电流只有5mA，但未来我们将增加这种功率半导体器件的面积，提高输出功率。下一步目标是额定电流为10A、输出功率为3kW的单片化器件。输出功率如果能达到3kW，就可以带动家用空调，那么估计也能够带动大多数家用电器。研究目标是在三年后开发出原型器件，并用它演示转换器的运作。” 不仅是家用电器，该混合功率半导体在工业上的应用也备受期待。“通过实现混合型的功率半导体，我们解决了单独使用GaN容易损坏的问题。我们认为，这种半导体在发电、汽车和火车等需要更高耐久性的领域非常具有前景。此外，传统GaN器件的高速和低损耗优势得以保留，这对于电源转换器的小型化十分有效。“通过实现小型化，器件可以变得更轻，就有可能应用于小型无人机的超轻量逆变器，以及机器人等领域。”中岛谈到了他的梦想。 与此同时，中岛也十分期待来自应用方的需求和想法。“SiC功率半导体已经应用于新干线的电源转换。所带来的好处不仅是节约能源。通过实现转换器的小型化，消除了地板下的空间和重量的限制，实现了以往无法实现的设备布局。当我听说电车通过这项技术实现了'标准车厢’，例如可以从16节车厢到8节车厢，进行各种车厢配置以满足不同的需求的时候，作为研究人员，我意识到原来还有这样的需求。希望企业在看到这次的成果之后，能够提出新的想法。比方说，这两种材料如果能融合在一起，能不能制造出这样或那样的设备？或者是否可以用于这样或那样的用途？” 混合功率半导体的开发不仅需要研究设施，还需要原型生产设备。由产综研牵头建立的开放式创新组织“TIA”，拥有产官学合作联盟“筑波电力电子星座（TPEC）”的功率半导体器件原型开发设施。混合型半导体原型的开发正在SiC和GaN的公共原型开发设施中进行，开发过程采用了SiC功率器件的100mm晶圆的原型开发设备。 “如果没有这些原型开发设施，就很难制造混合型半导体。由于共用了纯SiC材料半导体晶圆的原型开发设备，所以一直存在试件污染的风险。当在SiC衬底上生长GaN晶体时，GaN的成分对SiC来说是一种杂质，所以如果不控制好这一点，就无法生产出好的器件。为此，我们花了很大力气来打造良好的原型开发环境，包括评估清洁方法等。从2018年以来，我与许多同事一起不断努力，我认为，是这种努力让我们在混合半导体研究领域达成了世界领先的成果。 该原型开发设施见证了许多与企业联合研究的成果，包括对采用单一SiC材料的大面积功率半导体器件进行大规模生产的制造方法示范等。这些经验也可用于混合型半导体的大面积化。同时，本次GaN-SiC混合型功率半导体器件原型开发的成功经验，也为结合其他材料或制造不同于本次概念的混合型半导体提供了可能性。在进行这些研发的过程中，该原型开发设施也将发挥重要作用。 “产综研的试生产线向所有对下一代半导体研究有兴趣的日本企业开放，是一所开放式创新设施。通过采用产综研的试生产线，企业无需自己投资，能够以低成本进行半导体的开发与研究。我们将最大程度地利用这套设施，发挥过去在器件制造和示范方面的知识，以实现新型功率半导体的实际应用为目标，不断开展研究工作，力争与企业进行合作。” 中岛表达了他的期待，并展望了接下来的挑战。 “我们将及时公开研究进展，以便外部各方对我们的工作进行评价。今后，我们将建立制造技术，同时提高速度，提升工艺良品率，进一步优化混合型半导体高效率、高速度和耐久性的特性。我们期待来自企业和研究机构等各方的咨询。” 翻译：王京徽 审校：李 涵 统稿：李淑珊 |
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