羅姆在新一代功率元器件領(lǐng)域的飛躍發(fā)展與前沿探索

　　前言

　　在功率元器件的發(fā)展中，主要半導(dǎo)體材料當(dāng)然還是Si。同樣在以Si為主體的LSI世界里，在“將基本元件晶體管的尺寸縮小到1/k，同時(shí)將電壓也降低到1/k，力爭(zhēng)更低功耗”的指導(dǎo)原理下，隨著微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)更加高速、大規(guī)模集成化。在功率元器件領(lǐng)域中，微細(xì)加工技術(shù)的導(dǎo)入滯后數(shù)年，需要確保工作電壓的極限(耐壓)并改善模擬性能。但是，通過微細(xì)化可以改善的性能僅限于100V以下的低耐壓范圍，在需要更高耐壓的領(lǐng)域僅采用微細(xì)加工無法改善性能，因此，就需要在結(jié)構(gòu)上下工夫。21世紀(jì)初，超級(jí)結(jié)(SJ)-MOSFET注1進(jìn)入實(shí)用階段，實(shí)現(xiàn)了超過MOSFET性能極限的性能改善。

　　然而，重要的特性——低導(dǎo)通電阻、柵極電荷量與耐壓在本質(zhì)上存在權(quán)衡取舍的關(guān)系。在功率元器件中有成為單元的晶體管，將多個(gè)單元晶體管并聯(lián)可獲得低導(dǎo)通電阻。但這種做法需要同時(shí)并聯(lián)寄生于晶體管的電容，導(dǎo)致柵極電荷量上升。為了避免柵極電荷上升而進(jìn)行微細(xì)化即將1個(gè)單元變小的話，耐壓能力又會(huì)下降。

　　作為解決這個(gè)問題的手法，除了像SJ-MOSFET一樣通過結(jié)構(gòu)改善來提高性能，還通過變更材料來提高性能，就是使用了碳化硅(SiC) 注2和GaN注3這類寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體注4的功率元器件。WBG材料的最大特點(diǎn)如表1所示，其絕緣擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度較高。只要利用這個(gè)性質(zhì)，就可提高與Si元件相同結(jié)構(gòu)時(shí)的耐壓性能。只要實(shí)現(xiàn)有耐壓余量的結(jié)構(gòu)，將這部分單元縮小、提高集成度，就可降低導(dǎo)通電阻。　　

 

　　本稿中將具體解說羅姆在“SiC”與“GaN”功率元器件領(lǐng)域的探索與發(fā)展。

　　第一章 羅姆在“SiC”功率元器件領(lǐng)域的飛躍發(fā)展

　　SiC(碳化硅)功率元器件是以碳和硅的化合物——碳化硅作為原材料制作而成。與以往的硅材料功率元器件相比，具有低導(dǎo)通電阻、高速開關(guān)、高溫作業(yè)的特點(diǎn)，所以許多研究機(jī)構(gòu)和廠商將其視為新一代功率元器件，一直致力于對(duì)它的研發(fā)。由于其出色的性能，一直以“理想器件”備受期待的SiC功率器件近年來已得以問世。羅姆已批量生產(chǎn)SiC二極管和SiC-MOSFET，并于2012年3月開始批量生產(chǎn)內(nèi)置上述兩種元器件的功率模塊?！　?/p>

 

　　①SiC-SBD(碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管)：性能提升的第二代產(chǎn)品陸續(xù)登場(chǎng)

　　SiC‐SBD于2001年首次在世界上批量生產(chǎn)以來，已經(jīng)過去10多年。羅姆從2010年開始在日本國(guó)內(nèi)廠商中首次批量生產(chǎn)SiC-SBD，并且已經(jīng)在各種機(jī)器中得到采用。與以往的Si-FRD(快速恢復(fù)二極管)相比，SiC-SBD可以大幅縮短反向恢復(fù)時(shí)間，因此恢復(fù)損耗可以降低至原來的三分之一。充分利用這些特性，在各種電源的PFC電路(連續(xù)模式PFC)和太陽能發(fā)電的功率調(diào)節(jié)器中不斷得到應(yīng)用。

　　另外，羅姆備有耐壓600V、1200V的SiC-SBD產(chǎn)品線。并且將相繼銷售性能升級(jí)的第二代SiC-SBD。第二代SiC-SBD與以往產(chǎn)品相比，具有原來的短反向恢復(fù)時(shí)間的同時(shí)，降低了正向電壓。通常降低正向電壓，則反向漏電流也隨之增加。羅姆通過改善工藝和元器件結(jié)構(gòu)，保持低漏電流的同時(shí)，成功降低了正向電壓。正向上升電壓也降低了0.1~0.15V，因此尤其在低負(fù)載狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間工作的機(jī)器中效率有望得到提高。

　　②SiC-MOSFET：有助于機(jī)器節(jié)能化、周邊零部件小型化發(fā)展

　　相對(duì)于不斷搭載到各種機(jī)器上的SiC-SBD，SiC-MOSFET的量產(chǎn)化，在各種技術(shù)方面顯得有些滯后。2010年12月，羅姆在世界上首次以定制品形式量產(chǎn)SiC-MOSFET。而且，從7月份開始，相繼開始量產(chǎn)1200V耐壓的第二代SiC-MOSFET “SCH系列”、“SCT系列”。

　　以往SiC-MOSFET由于體二極管通電引起特性劣化(MOSFET的導(dǎo)通電阻、體二極管的正向電壓上升)，成為量產(chǎn)化的障礙。然而，羅姆改善了與結(jié)晶缺陷有關(guān)的工藝和器件結(jié)構(gòu)，并在2010年量產(chǎn)時(shí)克服了SiC-MOSFET在可靠性方面的難題。

　　1200V級(jí)的逆變器和轉(zhuǎn)換器中一般使用Si材質(zhì)IGBT。SiC-MOSFET由于不產(chǎn)生Si材質(zhì)IGBT上出現(xiàn)的尾電流(關(guān)斷時(shí)流過的過渡電流)，所以關(guān)斷時(shí)開關(guān)損耗可以減少90%，而且可實(shí)現(xiàn)50kHz以上的驅(qū)動(dòng)開關(guān)頻率。

　　因此，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器的節(jié)能化及散熱片、電抗器和電容等周邊元器件的小型化、輕量化。特別對(duì)于以往的Si材質(zhì)IGBT，開關(guān)損耗比導(dǎo)通損耗高，在這種應(yīng)用中進(jìn)行替換，將具有良好效果。　　

      

　　③“全SiC”功率模塊：100kHz以上高頻驅(qū)動(dòng)、開關(guān)損耗降低

　　現(xiàn)在，1200V級(jí)的功率模塊中，Si材質(zhì)IGBT和FRD組成的IGBT模塊被廣泛應(yīng)用。羅姆開發(fā)了搭載SiC-MOSFET和SiC-SBD的功率模塊(1200V/100A半橋結(jié)構(gòu)，定制品)以替換以往的硅材質(zhì)器件，并從3月下旬開始量產(chǎn)、出貨。通用品(1200V/120A半橋結(jié)構(gòu))也將很快量產(chǎn)。