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近年半导体化合物器件的新市场开拓与技术进展 纪秀峰 编译 编者按：日本住友电工公司是世界上半导体化合物GaN及GaAs/Inp的最大生产企业,其技术代表着此产品领域的世界尖端水平。作为现今在该公司任职的著名化合物半导体专家林秀树博士近期在《SEI テクニカルレビュー》发表题为“化合物半导体器件——追求无限可能”一文，是一篇全面综述当前化合物半导体市场及技术新发展的高水平文献，本编辑部特邀多年从事化合物半导体研究的专家——中电科技集团第46所纪秀峰高工对此文做了编译，登载于此，以飨读者。 1 前言 化合物半导体由两个或多个元素组成，通过不同的组合方式可以形成多种类型的化合物半导体材料。对于由两种以上化合物半导体材料混合构成的超晶格半导体，通过改变其组份的比例可能得到物理参数连续变化的化合物半导体材料。更进一步地，可以通过沉积生长由多种化合物半导体或超晶格半导体形成的多层薄膜，得到无穷多种类的半导体材料，并可借此实现具有多种多样功能和特性的半导体器件。这一点与硅半导体材料完全不同，也正是化合物半导体材料的魅力之所在。 半个世纪前，住友电工公司即开始从事化合物半导体材料的开发，并一直致力于其商业化。主要产品包括通信和消费产品用的GaAs、InP衬底及其外延片。最近正在致力于开发蓝紫色激光（用于蓝光光盘）用的氮化镓衬底并实现其产品化，住友电工公司正在成为世界上最大的化合物半导体材料综合制造厂商。 在2008年笔者（指原文作者林秀树——译者注）在此刊上发表了“化合物半导体器件—追求无限可能（1）”的一文。文中对住友电工公司过去四分之一世纪以来在化合物半导体器件方面的技术发展作了回顾。进入21世纪以来半导体功率器件的重要性日益增长，本文作为前述文章的续篇（之2），重点叙述了新一代宽禁带半导体功率器件的新发展。 2 半导体功率器件 自1948年贝尔实验室发明世界上第一只晶体管以来，60多年间，科学家发明和开发了品类众多的半导体器件并将之付诸于商业化。其应用领域涉及到社会生活方方面面，诸如个人电脑、移动电话、液晶电视等家电产品，混合动力汽车、电车、新干线等运输设备，以及通信设备、医疗器械、重型机械工业等等，领域众多，不胜枚举。 半导体器件可大致分为以半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）为代表的发光器件和以晶体管为代表的电子器件。电子器件又可分为以微处理器和各种存储器为代表的集成器件以及用于电力控制的功率器件。 功率器件是指二极管、晶体管、晶闸管等用于电力转换或控制的半导体器件，这些器件已成为电力电子的基础。在晶体管尚未发明的1947年以前，人们一直用充汞真空二极管来进行从交流到直流和从直流到交流的电力转换。充汞真空二极管利用汞在真空中的放电现象，其可靠性一直是一个问题。在20世纪60年代初的几年中，具有整流功能的Si二极管实现了商业化，随着其额定电压、电流值的增加，已经被普遍应用于大容量交直流电力转换。 20世纪50年代间，人们发现将两个晶体管组合在一起，通过控制基极电流可以保持其处于开通状态，晶闸管由此诞生并被用于低功耗电力的控制。此后，借助于硅半导体器件技术的不断进步，二极管、三极管和晶闸管的额定电压和电流值不断增加，其工作特性得到了大幅度的改善。如今功率器件已经广泛应用于电力传输及其分配的电力系统，以新干线为首的各种电气化铁路，包括混合动力汽车、电动汽车和燃料电池车在内的各种电动汽车，以不间断电源（UPS）为主的各种电源，工业机器人等各类交流伺服系统，空调等家用电器以及办公自动化设备等各种领域，其全球市场规模已经达到2～3万亿日元。 功率器件用于电力转换和电力控制，说到电力转换，人们期望把转换过程中的能量损失降到最低，理想的转换效率是100％。目前全球所用总能量的几个百分点被消耗在功率器件上，为实现节能社会的目标，低损耗功率器件必不可少。此外，对于电力控制来说，理想的状态是以尽可能小的输入电流来实现无延迟的精确的电力控制。 为了满足这两个要求，在技术上一直致力于提升器件高速反复开关的能力。目前正在使用的功率器件主要是硅器件，尽管随着硅技术的进步上述理想已经在很大程度上得到了实现，但是不得不承认的是，作为硅材料的物理性质极限已经迫在眉睫。 在功率器件被反复开关的过程中，所损耗的总能量包括：导通状态下的导通电阻损耗、关断状态下的漏电流损耗，以及开关转换过程中电压、电流的过渡损耗。为了减少这些能量损耗，应尽可能减小器件的导通电阻，同时器件最好能够高速工作。为了满足这些条件，最好使用比硅的禁带宽度更大的材料来制作功率器件。人们正在研究和开发利用SiC和GaN等所谓宽禁带半导体材料来制作半导体功率器件。相对于传统的硅功率器件，这些宽禁带半导体功率器件由于其禁带宽度的原因，使得器件在高电压、低功耗、高频率、高温条件下工作成为可能，因此人们对它