“瞄準(zhǔn)10年后”
——引發(fā)電網(wǎng)變革的超高耐壓器件

日本京都大學(xué)工學(xué)研究科教授木本恒暢在2014年7月4日召開(kāi)的“新一代功率半導(dǎo)體的沖擊：SiC從下一代走向現(xiàn)代”尖端技術(shù)論壇（主辦：《日經(jīng)電子》）上，以“超高電壓應(yīng)用SiC功率器件的發(fā)展”為題發(fā)表了演講，介紹了日本學(xué)術(shù)振興會(huì)的最尖端研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的成果。

SiC作為取代Si的功率器件備受期待，在高耐壓領(lǐng)域尤其被看好。在600～6 000 V耐壓領(lǐng)域，瞄準(zhǔn)混合動(dòng)力車及鐵道車輛用途的開(kāi)發(fā)日益活躍，這一耐壓下的應(yīng)用需求，目前可通過(guò)肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）及MOSFET等SiC單極性器件來(lái)滿足。

而木本教授等人的FIRST項(xiàng)目研究的是能夠?qū)崿F(xiàn)更高耐壓的PiN二極管及IGBT等SiC雙極性器件。通過(guò)將這些高耐壓器件應(yīng)用于變電站、變頻站、高壓直流輸電、醫(yī)療用加速器高壓電源、高速鐵道車輛等，有望降低電力損耗以及實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化。另外，在將來(lái)的電網(wǎng)中，通過(guò)采用更高耐壓的電子開(kāi)關(guān)，還可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與可再生能源、分布式電源、電動(dòng)車組之間的聯(lián)動(dòng)，以及故障時(shí)的瞬間斷電等遠(yuǎn)程操作。

FIRST項(xiàng)目的目標(biāo)并非立即使此類器件實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，而是要推動(dòng)全球最尖端研究，在10年以后達(dá)到實(shí)用水平。具體來(lái)說(shuō)，該項(xiàng)目在2009—2013年度對(duì)超過(guò)10 kV的雙極器件以及可實(shí)現(xiàn)該器件的超高速外延生長(zhǎng)等展開(kāi)了研究。

研究目標(biāo)共有5項(xiàng)：13 kV～20 A級(jí)SiC PiN二極管，13 kV～20 A級(jí)SiC IGBT，5 kV/20 A級(jí)250℃開(kāi)關(guān)操作，能實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)的膜厚及多層外延生長(zhǎng)，支持這些技術(shù)的學(xué)術(shù)性基礎(chǔ)研究。研發(fā)方面設(shè)定了3個(gè)子課題：SiC的缺陷、物性控制以及器件基礎(chǔ)，超厚膜及多層SiC外延晶圓技術(shù)，工藝及超高耐壓SiC器件技術(shù)。

獲得的成果為，在高速厚膜外延生長(zhǎng)和缺陷降低方面，實(shí)現(xiàn)了外延生長(zhǎng)層厚度達(dá)到了100 μm以上、摻雜濃度達(dá)到1 014 cm-3的摻雜控制技術(shù)；降低了基面位錯(cuò)（BPD），使BPD密度降至0.1 cm-2以下；利用碳注入及熱氧化等手段，使載流子壽命大幅提高20 μs以上。

憑借這些技術(shù)，木本教授等人成功試制出了耐壓13 kV的40 A級(jí)PiN二極管以及耐壓16 kV的30 A級(jí)IGBT。該IGBT在柵極形成方面，采用了離子注入與外延膜生長(zhǎng)組合的IE構(gòu)造。已通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，使用這些器件以及新開(kāi)發(fā)的高溫高耐壓密封材料，在250℃下實(shí)施5 kV開(kāi)關(guān)操作時(shí)，可實(shí)現(xiàn)20 A以上、2 μs的開(kāi)關(guān)工作。

木本教授在演講的最后說(shuō)道：“這些技術(shù)并非立即就能投入實(shí)用，而10年后，以這些技術(shù)為基礎(chǔ)的SiC雙極器件非常值得期待。”

來(lái)源：中日技術(shù)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)