未来的材料宠儿“碳化硅”和“氮化镓”_技术

　　前言

　　在功率元器件的发展中，主要半导体材料当然还是Si。同样在以Si为主体的LSI世界里，在“将基本元件晶体管的尺寸缩小到1/k，同时将电压也降低到1/k，力争更低功耗”的指导原理下，随着微细加工技术的发展，实现了开关更加高速、大规模集成化。在功率元器件领域中，微细加工技术的导入滞后数年，需要确保工作电压的极限（耐压）并改善模拟性能。但是，通过微细化可以改善的性能仅限于100V以下的低耐压范围，在需要更高耐压的领域仅采用微细加工无法改善性能，因此，就需要在结构上下工夫。21世纪初，超级结（SJ）-MOSFET注1进入实用阶段，实现了超过MOSFET性能极限的性能改善。

　　然而，重要的特性——低导通电阻、栅极电荷量与耐压在本质上存在权衡取舍的关系。在功率元器件中有成为单元的晶体管，将多个单元晶体管并联可获得低导通电阻。但这种做法需要同时并联寄生于晶体管的电容，导致栅极电荷量上升。为了避免栅极电荷上升而进行微细化即将1个单元变小的话，耐压能力又会下降。

　　作为解决这个问题的手法，除了像SJ-MOSFET一样通过结构改善来提高性能，还通过变更材料来提高性能，就是使用了碳化硅（SiC）注2和GaN注3这类宽禁带（WBG）半导体注4的功率元器件。WBG材料的最大特点如表1所示，其绝缘击穿电场强度较高。只要利用这个性质，就可提高与Si元件相同结构时的耐压性能。只要实现有耐压余量的结构，将这部分单元缩小、提高集成度，就可降低导通电阻。