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罗姆在新一代功率元器件领域的飞跃发展与前沿探索

来源:    作者:    发布时间:2015-05-18 09:21:03    浏览量:

前言

功率元器件的发展中,主要半导体材料当然还是Si。同样在以Si为主体的LSI世界里,在“将基本元件晶体管的尺寸缩小到1/k,同时将电压也降低到1/k,力争更低功耗”的指导原理下,随着微细加工技术的发展,实现了开关更加高速、大规模集成化。在功率元器件领域中,微细加工技术的导入滞后电感器q值数年,需要确保工作电压的极限(耐压)并改善模拟性能。但是,通过微细化可以改善的性能仅限于100V以下的低耐压范围,在需要更高耐压的领域仅采用微细加工无法改善性能,因此,就需要在结构上下工夫。21世纪初,超级结(SJ)-MOSFET注1进入实用阶段,实现了超过MOSFET性能极限的性能改善。

然而,重要的特性——低导通电阻、栅极电荷量与耐压在本质上存在权衡取舍的关系。在功率元器件中有成为单元的晶体管,将多个单元晶体管并联可获得低导通电阻。但这种做法需要同时并联寄生于晶体管的电容,导致栅极电荷量上升。为了避免栅极电荷上升而进行微细化即将1个单元变小的话,耐压能力又会下降。

作为解决这个问题的手法,除了像SJ-MOSFET一样通过结构改善来提高性能,还通过变更材料来提高性能,就是使用了碳化硅(SiC) 注2和GaN注3这类宽禁带(WBG)半导体注4的功率元器件。WBG材料的最大特点如表1所示,其绝缘击穿电场强度较高。只要利用这个性质,就可提高与Si元件相同结构时的耐压性能。只要实现有耐压余量的结构,将这部分单元缩小、提高集成度,就可降低导通电阻。

表1:各种功率元器件材料的物理特性比较

表1:各种功率元器件材料的物理特性比较

本稿中将具体解说罗姆在“SiC”与&ldqu大电流电感o;GaN”功率元器件领域的探索与发展。

第一章 罗姆在“SiC”功率元器件领域的飞跃发展

SiC(碳化硅)功率元器件是以碳和硅的化合物——碳化硅作为原材料制作而成。与以往的硅材料功率元器件相比,具有低导通电阻、高速开关、高温作业的特点,所以许多研究机构和厂商将其视为新一代功率元器件,一直致力于对它的研发。由于其出色的性能,一直以“理想器件”备受期待的SiC功率器件近年来已得以问世。罗姆已批量生产SiC二极管和SiC-MOSFET,并于2012年3月开始批量生产内置上述两种元器件的功率模块。

①SiC-SBD(碳化硅肖特基势垒二极管):性能提升的第二代产品陆续登场

SiC㏒BD于2001年首次在世界上批量生产以来,已经过去10多年。罗姆从2010年开始在日本国内厂商中首次批量生产SiC-SBD,并且已经在各种机器中得到采用。与以往的Si-FRD(快速恢复二极管)相比,SiC-SBD可以大幅缩短反向恢复时间,因此恢复损耗可以降低至原来的三分之一。充分利用这些特性,在各种电源的PFC电路(连续模式PFC)和太阳能发电的功率调节器中不断得到应用。

另外,罗姆备有耐压600V、1200V的SiC-SBD产品线。并且将相继销售性能升级的第二代SiC-SBD。第二代SiC-SBD与以往产品相比,具一体成型电感有原来的短反向恢复时间的同时,降低了正向电压。通常降低正向电压,则反向漏电流也随之增加。罗姆通过改善工艺和元器件结构,保持低漏电流的同时,成功降低了正向电压。正向上升电压也降低了0.1~0.15V,因此尤其在低负载状态下长时间工作的机器中效率有望得到提高。

②SiC-MOSFET:有助于机器节能化、周边零部件小型化发展

相对于不断搭载到各种机器上的SiC-SBD,SiC-MOSFET的量产化,在各种技术方面显得有些滞后。2010年12月,罗姆在世界上首次以定制品形式量产SiC-MOSFET。而且,从7月份开始,相继开始量产1200V耐压的第二代SiC-MOSFET “SCH系列”、“SCT系列”。

以往SiC-MOSFET由于体二极管通电引起特性劣化(MOSFET的导通电阻、体二极管的正向电压上升),成为量产化的障碍。然而,罗姆改善了与结晶缺陷有关的工艺和器件结构,并在2010年量产时克服了SiC-M功率电感OSFET在可靠性方面的难题。

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