電子產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于人們的日常生活。幾乎所有的電子產(chǎn)品都會用到“功率半導(dǎo)體器件”來控制電源轉(zhuǎn)換。電源轉(zhuǎn)換需要能夠以高速（每秒1000至100萬次）開關(guān)高電壓和大電流的開關(guān)。機(jī)械開關(guān)需要靠人為地不斷開、關(guān)電源，無法完成這種控制，需要利用半導(dǎo)體的特性，由電信號來控制開/關(guān)。

在肉眼看不到的地方，電力損耗正悄然發(fā)生。在長時(shí)間使用交流適配器后，通常適配器會發(fā)熱。這并非適配器的故障，而是電阻使部分電能轉(zhuǎn)化為熱量，導(dǎo)致電能損失。這種電能損失不僅發(fā)生在小小的交流適配器中，還同樣發(fā)生在其他電子產(chǎn)品、工業(yè)設(shè)備，甚至處理大量電力的發(fā)電站和變電站等大型設(shè)施中。如果能減少這部分電力損耗，就能對節(jié)電、節(jié)能做出巨大貢獻(xiàn)，因此，全球都在進(jìn)行關(guān)于提高功率半導(dǎo)體器件性能的研究和開發(fā)。

理想的功率半導(dǎo)體器件應(yīng)該是：①具備“耐久性”，在關(guān)閉狀態(tài)下具有無限的耐壓能力；②“無損耗”，在開啟狀態(tài)下具有像超導(dǎo)一樣的零電阻；③“超高速”，開啟關(guān)閉的切換時(shí)間無限接近于零秒。然而，在實(shí)際的功率半導(dǎo)體器件中，根據(jù)所采用的材料的不同，①-③的性能各自有一個(gè)有限的值，而這三種性能的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)此消彼長的權(quán)衡關(guān)系。

對功率半導(dǎo)體器件的研究始于1960年代。長久以來，科研人員采用由硅（Si）制成的半導(dǎo)體晶體作為半導(dǎo)體材料。功率半導(dǎo)體器件通常需要處理高電壓和大電流。近年來，隨著電容的增加，硅的物性正在接近其極限。為了提升上述處于權(quán)衡關(guān)系當(dāng)中的三種性能，研究人員開始嘗試開發(fā)采用硅以外的材料制成的新型半導(dǎo)體器件。

目前，碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）和金剛石（C）被認(rèn)為是最具前景的下一代功率半導(dǎo)體材料。在這些化合物中，電子（-）和空穴（+）從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶所需的能量（帶隙）比傳統(tǒng)硅要高兩倍以上，因此采用這些材料的半導(dǎo)體通常被稱為“寬帶隙半導(dǎo)體”。

從原子周期表看半導(dǎo)體材料特性

與傳統(tǒng)材料半導(dǎo)體相比，使用硅（Si）和碳（C），或鎵（Ga）和氮（N）的半導(dǎo)體躍遷能量更大，因而稱為“寬帶隙半導(dǎo)體”

目前，在寬帶隙半導(dǎo)體的研究當(dāng)中，SiC材料半導(dǎo)體的研究最為深入，這種半導(dǎo)體有高功率和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。目前，直徑200mm的大型襯底已經(jīng)投入實(shí)際使用，并已經(jīng)安裝于日本的N700系列新干線，以及特斯拉等電動汽車。然而，由于材料特性，很難進(jìn)一步提升其運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

GaN是研發(fā)水平僅次于SiC的材料，對于GaN的研究已經(jīng)持續(xù)了很長時(shí)間。最初，GaN是藍(lán)色發(fā)光二極管（LED）的材料，它作為白色LED光源，為各種照明的節(jié)能做出了貢獻(xiàn)。最近，將這種材料用于功率半導(dǎo)體器件的相關(guān)研究也取得了進(jìn)展，例如，在筆記本電腦充電器等產(chǎn)品的產(chǎn)品說明當(dāng)中就越來越多地出現(xiàn)這種材料。由于其在開啟狀態(tài)下導(dǎo)通損耗低，且開關(guān)切換動作速度快，因此被用于交流適配器等低功率應(yīng)用。但GaN也存在缺點(diǎn)，比如極輕微的噪音就會破壞其元件，因此與SiC相比，其耐久性仍存在問題。

如上所述，用于寬帶隙半導(dǎo)體的每種材料都有其自身的特點(diǎn)和問題，可以預(yù)測，如采用單一材料，其性能將在不久的將來達(dá)到極限，就像硅一樣。

為突破這一限制，產(chǎn)綜研先進(jìn)電力電子研究中心的功率器件團(tuán)隊(duì)已開始挑戰(zhàn)新的研究。

團(tuán)隊(duì)成員中島昭回憶道：“起初的想法十分簡單，我們認(rèn)為，如果能夠建立一種集成多種材料的混合型功率半導(dǎo)體器件，那么是否就能實(shí)現(xiàn)單一材料不可能實(shí)現(xiàn)的性能?！币虼?，團(tuán)隊(duì)聚焦于SiC和GaN這兩種具備互補(bǔ)特征的材料，建立假說，取長補(bǔ)短，保留GaN的導(dǎo)通損耗低、開關(guān)切換動作速度快的特征，同時(shí)采用SiC來彌補(bǔ)其元件容易被噪音損壞的問題。

碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）作為半導(dǎo)體材料的共性

SiC和GaN這兩種材料不僅具有互補(bǔ)的特點(diǎn)，而且相互之間的親和性也很高。上述表格的詳細(xì)分解如下。首先，晶格常數(shù)是晶體中原子之間的間距，是使材料單晶生長的重要因素。其次，介電擊穿強(qiáng)度表示給一種材料施加多少伏電壓后該材料會損壞，是表示材料電氣強(qiáng)度的數(shù)值，該數(shù)值如上表所示，表明該材料可以承受最高每厘米280萬伏特的電壓。這兩個(gè)值越接近相同，兩種材料之間的親和性就越高。SiC和GaN的數(shù)值幾乎相同，因此可以預(yù)測，在SiC襯底上能夠生長高質(zhì)量的GaN單晶，從而制造出高性能的功率半導(dǎo)體器件。

如何對材料“各取所長”？其基礎(chǔ)概念是“單片化”。

“單片化”（monolithic）一詞源于“monolith”，即“單塊巨石”，是指將多個(gè)器件集成到一個(gè)固體塊中，“單片化”可以說是半導(dǎo)體集成技術(shù)的終極形式。單片化的過程如下。在SiC襯底上形成具有p⁺型和n型SiC的二極管結(jié)構(gòu)。然后在其上方制作GaN晶體管結(jié)構(gòu)。這兩種化合物不是簡單地堆疊在一起，而是被制成一個(gè)單片化的晶體。

本次開發(fā)的混合型晶體管的結(jié)構(gòu)

“因?yàn)檫@兩種材料是一體化的，因此二者做為單一的部件整體運(yùn)作。如此一來，制作復(fù)雜的電路變得更容易，速度更快、性能也更可靠。例如，目前計(jì)算機(jī)的CPU是由半導(dǎo)體制成的，其中包含100億個(gè)單片化器件。如此大量的器件通常很容易發(fā)生故障，但單片化使100億個(gè)器件作為一個(gè)部件運(yùn)行，因此不容易發(fā)生故障，性能也更加可靠?！?/span>

單片化得以實(shí)現(xiàn)，是SiC和GaN兩個(gè)領(lǐng)域的專家將各自領(lǐng)域的專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)相互碰撞的結(jié)果。

“'為什么不嘗試這種工藝？’——'要做這種工藝得花10年?！瘍煞N材料的專家之間會發(fā)生這種不同意見的碰撞。這種想法上的分歧成為了新的刺激。例如，傾斜襯底能使晶體生長這一訣竅對SiC是有效的，但對于GaN，由于其特性，幾乎無法傾斜。就這樣，在一個(gè)個(gè)的差異和想法相互碰撞的過程中，有時(shí)會誕生出意想不到的新的解決方案。”

通過將具有不同知識和經(jīng)驗(yàn)的研究人員混編在一個(gè)團(tuán)隊(duì)當(dāng)中，使團(tuán)隊(duì)本身也“混合”在一起，大家齊心協(xié)力，形成了“單片化”的團(tuán)隊(duì)。

在直徑100毫米的襯底上制造的GaN-SiC混合功率半導(dǎo)體器件

為對本概念進(jìn)行示范，本次開發(fā)了一個(gè)額定電流約為5mA的小型晶體管。

“目前仍處于原型開發(fā)階段，所以電流只有5mA，但未來我們將增加這種功率半導(dǎo)體器件的面積，提高輸出功率。下一步目標(biāo)是額定電流為10A、輸出功率為3kW的單片化器件。輸出功率如果能達(dá)到3kW，就可以帶動家用空調(diào)，那么估計(jì)也能夠帶動大多數(shù)家用電器。研究目標(biāo)是在三年后開發(fā)出原型器件，并用它演示轉(zhuǎn)換器的運(yùn)作?！?/span>

不僅是家用電器，該混合功率半導(dǎo)體在工業(yè)上的應(yīng)用也備受期待?！巴ㄟ^實(shí)現(xiàn)混合型的功率半導(dǎo)體，我們解決了單獨(dú)使用GaN容易損壞的問題。我們認(rèn)為，這種半導(dǎo)體在發(fā)電、汽車和火車等需要更高耐久性的領(lǐng)域非常具有前景。此外，傳統(tǒng)GaN器件的高速和低損耗優(yōu)勢得以保留，這對于電源轉(zhuǎn)換器的小型化十分有效?！巴ㄟ^實(shí)現(xiàn)小型化，器件可以變得更輕，就有可能應(yīng)用于小型無人機(jī)的超輕量逆變器，以及機(jī)器人等領(lǐng)域。”中島談到了他的夢想。

與此同時(shí)，中島也十分期待來自應(yīng)用方的需求和想法?！癝iC功率半導(dǎo)體已經(jīng)應(yīng)用于新干線的電源轉(zhuǎn)換。所帶來的好處不僅是節(jié)約能源。通過實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器的小型化，消除了地板下的空間和重量的限制，實(shí)現(xiàn)了以往無法實(shí)現(xiàn)的設(shè)備布局。當(dāng)我聽說電車通過這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了'標(biāo)準(zhǔn)車廂’，例如可以從16節(jié)車廂到8節(jié)車廂，進(jìn)行各種車廂配置以滿足不同的需求的時(shí)候，作為研究人員，我意識到原來還有這樣的需求。希望企業(yè)在看到這次的成果之后，能夠提出新的想法。比方說，這兩種材料如果能融合在一起，能不能制造出這樣或那樣的設(shè)備？或者是否可以用于這樣或那樣的用途？”

混合功率半導(dǎo)體的開發(fā)不僅需要研究設(shè)施，還需要原型生產(chǎn)設(shè)備。由產(chǎn)綜研牽頭建立的開放式創(chuàng)新組織“TIA”，擁有產(chǎn)官學(xué)合作聯(lián)盟“筑波電力電子星座（TPEC）”的功率半導(dǎo)體器件原型開發(fā)設(shè)施?；旌闲桶雽?dǎo)體原型的開發(fā)正在SiC和GaN的公共原型開發(fā)設(shè)施中進(jìn)行，開發(fā)過程采用了SiC功率器件的100mm晶圓的原型開發(fā)設(shè)備。

“如果沒有這些原型開發(fā)設(shè)施，就很難制造混合型半導(dǎo)體。由于共用了純SiC材料半導(dǎo)體晶圓的原型開發(fā)設(shè)備，所以一直存在試件污染的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)在SiC襯底上生長GaN晶體時(shí)，GaN的成分對SiC來說是一種雜質(zhì)，所以如果不控制好這一點(diǎn)，就無法生產(chǎn)出好的器件。為此，我們花了很大力氣來打造良好的原型開發(fā)環(huán)境，包括評估清潔方法等。從2018年以來，我與許多同事一起不斷努力，我認(rèn)為，是這種努力讓我們在混合半導(dǎo)體研究領(lǐng)域達(dá)成了世界領(lǐng)先的成果。

該原型開發(fā)設(shè)施見證了許多與企業(yè)聯(lián)合研究的成果，包括對采用單一SiC材料的大面積功率半導(dǎo)體器件進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的制造方法示范等。這些經(jīng)驗(yàn)也可用于混合型半導(dǎo)體的大面積化。同時(shí)，本次GaN-SiC混合型功率半導(dǎo)體器件原型開發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)，也為結(jié)合其他材料或制造不同于本次概念的混合型半導(dǎo)體提供了可能性。在進(jìn)行這些研發(fā)的過程中，該原型開發(fā)設(shè)施也將發(fā)揮重要作用。

“產(chǎn)綜研的試生產(chǎn)線向所有對下一代半導(dǎo)體研究有興趣的日本企業(yè)開放，是一所開放式創(chuàng)新設(shè)施。通過采用產(chǎn)綜研的試生產(chǎn)線，企業(yè)無需自己投資，能夠以低成本進(jìn)行半導(dǎo)體的開發(fā)與研究。我們將最大程度地利用這套設(shè)施，發(fā)揮過去在器件制造和示范方面的知識，以實(shí)現(xiàn)新型功率半導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)，不斷開展研究工作，力爭與企業(yè)進(jìn)行合作?！?/span>

中島表達(dá)了他的期待，并展望了接下來的挑戰(zhàn)。

“我們將及時(shí)公開研究進(jìn)展，以便外部各方對我們的工作進(jìn)行評價(jià)。今后，我們將建立制造技術(shù)，同時(shí)提高速度，提升工藝良品率，進(jìn)一步優(yōu)化混合型半導(dǎo)體高效率、高速度和耐久性的特性。我們期待來自企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)等各方的咨詢。”