实现耐压1万伏的SiC半导体元件

SiC以其优良的耐热性、抗绝缘击穿，作为下世纪半导体而引人注目。特别有望作为高电压的电力转换系统（马达控制、电源等）用功率元件而备受国内外关注。

最近，日本京都大学和日立金属共同研究结果，实现了具有10kV耐压的SiC二极管。在发电、变电所进行几万伏以上的电力转换（交流→直流, 直流→交流等）,采用目前的Si元件其耐压界限为6-8kV,所以需要串联接续多个元件。该项研究结果证实：SiC元件有希望应用于Si元件所达不到高电压领域。为了提高半导体元件的耐压，需要采用高纯度，一定厚度单晶材料。所以如采用Si单晶达到10kV，其杂质密度为1013cm-3以下，厚度1mm以上，但实际上这不可能的。而采用SiC，由于其具有高的抗绝缘击穿性，因此，其杂质密度达1015 cm-3，厚度100μm就足够了。日本京都大学和日立金属的研究小组，确立SiC基片的高精度研磨和气蚀技术，采用独创的生长方法，以50μm/h（是原来的5倍）的高速，成功形成高纯度SiC。同时由于降低生长时的压力，抑制气相中的聚合反应，保持了高结晶性。由此只花了2小时（原来需约10小时）就制作耐10kV、厚度100μm的高品质SiC单晶膜。

要做到耐高电压化，还有一个关键就是研制独特的电场集中松弛结构。采用具有足够纯度和厚度的半导体，形成pn结。这样，在其结的端部电场集中，其耐压性只能得到小于理论耐压的一半。京都大学的研究人员使用模拟装置探讨了各种各样电场集中松弛结构，形成具有如“富士山”那样倾斜的侧壁，在侧壁上设计有适量密度的p型区域，由此，使在pn结端部的电场平均化，进而，发现了可以得到理想的耐压性能。在厚度92μm的SiC单晶上使用反应性离子蚀刻形成“富士山”形的倾斜侧壁，注入Al离子形成p型区域，可制作耐10kV的pn结二极管。SiC元件不仅耐高压，由于电阻部分的降低，减少不同电力转换时的损耗。

今后随着SiC元件的研究开发，不仅可应用于电力系统控制还可应用于高速列车、高压电源、产业用马达等。并可期待机器小型化和高效率化。

（译自：《セラミツクス》42（2007）No.11）