“瞄准10年后”——引发电网变革的超高耐压器件

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日本京都大学工学研究科教授木本恒畅在2014年7月4日召开的“新一代功率半导体的冲击：SiC从下一代走向现代”尖端技术论坛（主办：《日经电子》）上，以“超高电压应用SiC功率器件的发展”为题发表了演讲，绍了日本学术振兴会的最尖端研究开发项目的成果。

登台演讲的京都大学教授木本恒畅

SiC作为取代Si的功率器件备受期待，在高耐压领域尤其被看好。在600V～6000V耐压领域，瞄准混合动力车及铁道车辆用途的开发日益活跃，这一耐压下的应用需求，目前可通过肖特基势垒二极管（SBD）及MOSFET等SiC单极性器件满足。

而木本教授等人的FIRST项目研究的是能够实现更高耐压的PiN二极管及IGBT等SiC双极性器件。通过将这些高耐压器件应用于变电站、变频站、高压直流输电、医疗用加速器高压电源、高速铁道车辆等，有望降低电力损耗以及实现设备的小型化。另外，在将来的电网中，通过采用更高耐压的电子开关，还可实现电网与可再生能源、分布式电源、电动车组之间的联动，以及故障时的瞬间断电等远程操作。

FIRST项目的目标并非立即使此类器件实现实用化，而是要推动全球最尖端研究，在10年以后达到实用水平。具体来说，该项目在2009～2013年度对超过10kV的双极器件以及可实现该器件的超高速外延生长等展开了研究。

研究目标共有5项：（1）13kV-20A级SiC PiN二极管、（2）13kV-20A级SiC IGBT、（3）5kV-20A级250℃开关操作、（4）能实现这些技术的膜厚及多层外延生长、（5）支持这些技术的学术性基础研究。研发方面设定了三个子课题：（1）SiC的缺陷、物性控制以及器件基础、（2）超厚膜及多层SiC外延晶圆技术、（3）工艺及超高耐压SiC器件技术。

获得的成果为，在高速厚膜外延生长和缺陷降低方面，实现了外延生长层厚度达到了100μm以上、受主密度达到1014cm-3的掺杂控制技术；降低了基面位错（BPD），使BPD密度降至0.1cm-2以下；利用碳注入及热氧化等手段，使载流子寿命大幅提高20μs以上。

凭借这些技术，木本教授等人成功试制出了耐压13kV的40A级PiN二极管以及耐压16kV的30A级IGBT。该IGBT在栅极形成方面，采用了离子注入与外延膜生长组合的IE构造。已通过实验证实，使用这些器件以及新开发的高温高耐压密封材料，在250℃下实施5kV开关操作时，可实现20A以上、2μs的开关工作。

木本教授在演讲的最后说道：“这些技术并非立即就能投入实用，而十年后，以这些技术为基础的SiC双极器件非常值得期待。”（作者：狩集 浩志，日经技术在线！供稿）