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

　　作為替換硅材質(zhì)器件，搭載SiC-MOSFET和SiC-SBD的模塊，可實(shí)現(xiàn)100kHz以上的高頻驅(qū)動(dòng)?？纱蠓档虸GBT注5尾電流和FRD注6恢復(fù)電流引起的開關(guān)損耗。因此，通過模塊的冷卻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化(散熱片的小型化，水冷卻、強(qiáng)制空氣冷卻的自然空氣冷卻)和工作頻率高頻化，可實(shí)現(xiàn)電抗器和電容等的小型化。

　　另外，由于開關(guān)損耗低，所以適于20kHz及更高開關(guān)頻率的驅(qū)動(dòng)，在此情況下，也可以用額定電流120A的SiC模塊替換額定電流200-400A的IGBT模塊。

　　今后：羅姆將全面推動(dòng)SiC元器件的普及

　　相對(duì)于已經(jīng)具有大量采用實(shí)績(jī)的SiC-SBD而言，SiC-MOSFET和全SiC功率模塊的真正采用現(xiàn)在才開始。相對(duì)以往硅材質(zhì)器件的性能差別和成本差別的平衡將成為SiC器件真正普及的關(guān)鍵。羅姆在兩個(gè)方面進(jìn)行著技術(shù)開發(fā)：①基于SiC電路板大口徑化，降低SiC器件成本 ②相對(duì)硅材質(zhì)器件，開發(fā)在性能上具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的新一代SiC器件。今后，羅姆將通過擴(kuò)大普及SiC器件 ，助力于全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)節(jié)能和減少CO2的排放。

　　第二章 羅姆在“GaN”功率元器件領(lǐng)域的前沿探索

　　GaN功率元器件是指電流流通路徑為GaN的元器件。“GaN”曾被作為發(fā)光材料進(jìn)行過研究，現(xiàn)在仍然作為已普及的發(fā)光二極管(LED)照明的核心部件藍(lán)色LED用材料廣為使用。同時(shí)，還有一種稱為“WBG”的材料，與發(fā)光元件應(yīng)用幾乎同一時(shí)期開始研究在功率元器件上的應(yīng)用，現(xiàn)已作為高頻功率放大器進(jìn)入實(shí)用階段。

　　GaN與Si和SiC元件的不同之處在于元件的基本“形狀”。圖1為使用GaN的電子元器件的一般構(gòu)造。晶體管有源極、柵極、漏極3個(gè)電極，Si和SiC功率元器件稱為“縱向型”，一般結(jié)構(gòu)是源極和柵極在同一面，漏極電極在基板側(cè)。GaN為源極、柵極、漏極所有電極都在同一面的“橫向型”結(jié)構(gòu)。在以產(chǎn)業(yè)化為目的的研究中，幾乎都采用這種橫向型結(jié)構(gòu)。

　　之所以采用橫向型結(jié)構(gòu)，是因?yàn)橄Ｍ麑⒋嬖谟贏lGaN/GaN界面的二維電子氣(2DEG)作為電流路徑使用。GaN既是具有自發(fā)電介質(zhì)極化(自發(fā)極化)的晶體，也是給晶體施加壓力即會(huì)重新產(chǎn)生壓電極化(極化失真)的壓電材料。AlGaN與GaN在自發(fā)極化存在差別，由于晶格常數(shù)不同，如果形成如圖1中的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)，為了匹配晶格常數(shù)，晶體畸變，還會(huì)發(fā)生極化失真。因這種無(wú)意中產(chǎn)生的電介質(zhì)極化之差，如圖2所示，GaN的禁帶向AlGaN下方自然彎曲。因此，其彎曲部分產(chǎn)生2DEG。由于這種2DEG具有較高的電子遷移率(1500 cm2/Vs左右)，因此可進(jìn)行非?？斓拈_關(guān)動(dòng)作。但是，其另外一面，相反，由于電子流動(dòng)的路徑常時(shí)存在，因此成為柵極電壓即使為0V電流也會(huì)流過的稱為“常開型(normally-on)”的元件?！　?/p>

　　

 

　　正如之前所提及的，對(duì)WBG材料的最大期待是提高耐壓性能。由于SiC基本可以實(shí)現(xiàn)與Si相同的縱向型結(jié)構(gòu)，因此發(fā)揮材料特性的耐壓性能得以提升。但是，GaN則情況不同。圖1所示的橫向型結(jié)構(gòu)較難提升耐壓性能，這一點(diǎn)通過Si元件既已明了，只要GaN也采用圖1的結(jié)構(gòu)，物理特性上本應(yīng)實(shí)現(xiàn)的耐壓性能就很難發(fā)揮出來。但是，本來對(duì)WBG材料的期待就是耐壓特性，因此，發(fā)布的GaN元器件多為耐壓提升產(chǎn)品。但是，提升耐壓性能的方法基本上只能通過增加?xùn)艠O/漏極間的距離，而這樣芯片就會(huì)增大，芯片增大就意味著成本上升。

　　只要采用圖1的結(jié)構(gòu)，GaN功率元器件的特點(diǎn)不僅是耐壓性能，還有使用2DEG的高速電子遷移率而來的高頻動(dòng)作性能。因而，GaN晶體管常被稱為GaN-HEMT注7。

　　“GaN”功率元器件的特性：確保高頻特性并實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)作

　　羅姆開發(fā)的“常開型(normally-on)”型元器件的特性見表2，是柵極寬度為9.6cm的元器件，命名為“HEMT”，可查到的其高頻特性的文獻(xiàn)非常少。起初羅姆以盡量確保高頻特性為目標(biāo)進(jìn)行了開發(fā)，結(jié)果表明，羅姆的“常開型(normally-on)”元器件的動(dòng)態(tài)特性非常優(yōu)異。表中的td(on)、tr、td(off)、tf等特性指標(biāo)表示高速性能。由于是“常開型(normally-on)”元器件，因此柵極進(jìn)入負(fù)電壓瞬間，元器件關(guān)斷，0V時(shí)元器件導(dǎo)通。符號(hào)表示方法是：柵極電壓信號(hào)關(guān)斷時(shí)(元器件開始向ON移行時(shí))為t = 0，源極/漏極間電壓Vds減少到施加電壓的90%之前的時(shí)間為td(on)，從90%減少到10%的時(shí)間為tr，另外，柵極電壓信號(hào)導(dǎo)通時(shí)(元器件開始向OFF移行時(shí))為t = 0，Vds增加到施加電壓的10%之間的時(shí)間為td(off)，從10%增加到90%的時(shí)間為tf。