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，主要半導體材料當然還是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，力爭更低功耗”的指導原理下，隨著(zhù)微細加工技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現了開(kāi)關(guān)更加高速、大規模集成化。在功率元器件領(lǐng)域中，微細加工技術(shù)的導入滯后數年，需要確保工作電壓的極限(耐壓)并改善模擬性能。但是，通過(guò)微細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)域僅采用微細加工無(wú)法改善性能，因此，就需要在結構上下工夫。21世紀初，超級結(SJ)-MOSFET注1進(jìn)入實(shí)用階段，實(shí)現了超過(guò)MOSFET性能極限的性能改善。

　　然而，重要的特性——低導通電阻、柵極電荷量與耐壓在本質(zhì)上存在權衡取舍的關(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，導致柵極電荷量上升。為了避免柵極電荷上升而進(jìn)行微細化即將1個(gè)單元變小的話(huà)，耐壓能力又會(huì )下降。

　　作為解決這個(gè)問(wèn)題的手法，除了像SJ-MOSFET一樣通過(guò)結構改善來(lái)提高性能，還通過(guò)變更材料來(lái)提高性能，就是使用了碳化硅(SiC) 注2和GaN注3這類(lèi)寬禁帶(WBG)半導體注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)強度較高。只要利用這個(gè)性質(zhì)，就可提高與Si元件相同結構時(shí)的耐壓性能。只要實(shí)現有耐壓余量的結構，將這部分單元縮小、提高集成度，就可降低導通電阻?！　?/p>

 

　　本稿中將具體解說(shuō)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，具有低導通電阻、高速開(kāi)關(guān)、高溫作業(yè)的特點(diǎn)，所以許多研究機構和廠(chǎng)商將其視為新一代功率元器件，一直致力于對它的研發(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(lái)已得以問(wèn)世。羅姆已批量生產(chǎn)SiC二極管和SiC-MOSFET，并于2012年3月開(kāi)始批量生產(chǎn)內置上述兩種元器件的功率模塊?！　?/p>

 

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

　　SiC‐SBD于2001年首次在世界上批量生產(chǎn)以來(lái)，已經(jīng)過(guò)去10多年。羅姆從2010年開(kāi)始在日本國內廠(chǎng)商中首次批量生產(chǎn)SiC-SBD，并且已經(jīng)在各種機器中得到采用。與以往的Si-FRD(快速恢復二極管)相比，SiC-SBD可以大幅縮短反向恢復時(shí)間，因此恢復損耗可以降低至原來(lái)的三分之一。充分利用這些特性，在各種電源的PFC電路(連續模式PFC)和太陽(yáng)能發(fā)電的功率調節器中不斷得到應用。

　　另外，羅姆備有耐壓600V、1200V的SiC-SBD產(chǎn)品線(xiàn)。并且將相繼銷(xiāo)售性能升級的第二代SiC-SBD。第二代SiC-SBD與以往產(chǎn)品相比，具有原來(lái)的短反向恢復時(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(guò)改善工藝和元器件結構，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，因此尤其在低負載狀態(tài)下長(cháng)時(shí)間工作的機器中效率有望得到提高。

　　②SiC-MOSFET：有助于機器節能化、周邊零部件小型化發(fā)展

　　相對于不斷搭載到各種機器上的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(kāi)始，相繼開(kāi)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，羅姆改善了與結晶缺陷有關(guān)的工藝和器件結構，并在2010年量產(chǎn)時(shí)克服了SiC-MOSFET在可靠性方面的難題。

　　1200V級的逆變器和轉換器中一般使用Si材質(zhì)IGBT。SiC-MOSFET由于不產(chǎn)生Si材質(zhì)IGBT上出現的尾電流(關(guān)斷時(shí)流過(guò)的過(guò)渡電流)，所以關(guān)斷時(shí)開(kāi)關(guān)損耗可以減少90%，而且可實(shí)現50kHz以上的驅動(dòng)開(kāi)關(guān)頻率。

　　因此，可實(shí)現機器的節能化及散熱片、電抗器和電容等周邊元器件的小型化、輕量化。特別對于以往的Si材質(zhì)IGBT，開(kāi)關(guān)損耗比導通損耗高，在這種應用中進(jìn)行替換，將具有良好效果?！　?/p>

      

　　③“全SiC”功率模塊：100kHz以上高頻驅動(dòng)、開(kāi)關(guān)損耗降低

　　現在，1200V級的功率模塊中，Si材質(zhì)IGBT和FRD組成的IGBT模塊被廣泛應用。羅姆開(kāi)發(fā)了搭載SiC-MOSFET和SiC-SBD的功率模塊(1200V/100A半橋結構，定制品)以替換以往的硅材質(zhì)器件，并從3月下旬開(kāi)始量產(chǎn)、出貨。通用品(1200V/120A半橋結構)也將很快量產(chǎn)。