聚焦“SiC”與“GaN”—羅姆在新一代功率元器件領域的飛躍發(fā)展與前沿探索
摘要： 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，同時將電壓也降低到1/k，力爭更低功耗”的指導原理下，隨著微細加工技術的發(fā)展，實現(xiàn)了開關更加高速、大規(guī)模集成化。在功率元器件領域中，微細加工技術的導入滯后數(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域僅采用微細加工無法改善性能，因此，就需要在結(jié)構上下工夫。21世紀初，超級結(jié)(SJ)-MOSFET注1進入實用階段，實現(xiàn)了超過MOSFET性能極限的性能改善。
關鍵字： 功率元器件， MOSFET， 羅姆
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，同時將電壓也降低到1/k，力爭更低功耗”的指導原理下，隨著微細加工技術的發(fā)展，實現(xiàn)了開關更加高速、大規(guī)模集成化。在功率元器件領域中，微細加工技術的導入滯后數(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域僅采用微細加工無法改善性能，因此，就需要在結(jié)構上下工夫。21世紀初，超級結(jié)(SJ)-MOSFET注1進入實用階段，實現(xiàn)了超過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系。在功率元器件中有成為單元的晶體管，將多個單元晶體管并聯(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行微細化即將1個單元變小的話，耐壓能力又會下降。
作為解決這個問題的手法，除了像SJ-MOSFET一樣通過結(jié)構改善來提高性能，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)半導體注4的功率元器件。WBG材料的最大特點如表1所示，其絕緣擊穿電場強度較高。只要利用這個性質(zhì)，就可提高與Si元件相同結(jié)構時的耐壓性能。只要實現(xiàn)有耐壓余量的結(jié)構，將這部分單元縮小、提高集成度，就可降低導通電阻。 表1：各種功率元器件材料的物理特性比較
本稿中將具體解說羅姆在“SiC”與“GaN”功率元器件領域的探索與發(fā)展。
第一章 羅姆在“SiC”功率元器件領域的飛躍發(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、高速開關、高溫作業(yè)的特點，所以許多研究機構和廠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。
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(xù)登場
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年開始在日本國內(nèi)廠商中首次批量生產(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間，因此恢復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時間的同時，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，保持低漏電流的同時，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)下長時間工作的機器中效率有望得到提高。
②SiC-MOSFET：有助于機器節(jié)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)晶缺陷有關的工藝和器件結(jié)構，并在2010年量產(chǎn)時克服了SiC-MOSFET在可靠性方面的難題。
1200V級的逆變器和轉(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(關斷時流過的過渡電流)，所以關斷時開關損耗可以減少90%，而且可實現(xiàn)50kHz以上的驅(qū)動開關頻率。
因此，可實現(xiàn)機器的節(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。特別對于以往的Si材質(zhì)IGBT，開關損耗比導通損耗高，在這種應用中進行替換，將具有良好效果。[!--empirenews.page--]
③“全SiC”功率模塊：100kHz以上高頻驅(qū)動、開關損耗降低
現(xiàn)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。羅姆開發(fā)了搭載SiC-MOSFET和SiC-SBD的功率模塊(1200V/100A半橋結(jié)構，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)也將很快量產(chǎn)。
作為替換硅材質(zhì)器件，搭載SiC-MOSFET和SiC-SBD的模塊，可實現(xiàn)100kHz以上的高頻驅(qū)動?？纱蠓档虸GBT注5尾電流和FRD注6恢復電流引起的開關損耗。因此，通過模塊的冷卻結(jié)構簡化(散熱片的小型化，水冷卻、強制空氣冷卻的自然空氣冷卻)和工作頻率高頻化，可實現(xiàn)電抗器和電容等的小型化。
另外，由于開關損耗低，所以適于20kHz及更高開關頻率的驅(qū)動，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SiC元器件的普及
相對于已經(jīng)具有大量采用實績的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器件真正普及的關鍵。羅姆在兩個方面進行著技術開發(fā)：①基于SiC電路板大口徑化，降低SiC器件成本 ②相對硅材質(zhì)器件，開發(fā)在性能上具有絕對優(yōu)勢的新一代SiC器件。今后，羅姆將通過擴大普及SiC器件 ，助力于全球范圍內(nèi)實現(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)照明的核心部件藍色LED用材料廣為使用。同時，還有一種稱為“WBG”的材料，與發(fā)光元件應用幾乎同一時期開始研究在功率元器件上的應用，現(xiàn)已作為高頻功率放大器進入實用階段。
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造。晶體管有源極、柵極、漏極3個電極，Si和SiC功率元器件稱為“縱向型”，一般結(jié)構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。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。
之所以采用橫向型結(jié)構，是因為希望將存在于AlGaN/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，還會發(fā)生極化失真。因這種無意中產(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)，因此可進行非?？斓拈_關動作。但是，其另外一面，相反，由于電子流動的路徑常時存在，因此成為柵極電壓即使為0V電流也會流過的稱為“常開型(normally-on)”的元件。
圖1：GaN晶體管的單元晶體管基本結(jié)構
正如之前所提及的，對WBG材料的最大期待是提高耐壓性能。由于SiC基本可以實現(xiàn)與Si相同的縱向型結(jié)構，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)構較難提升耐壓性能，這一點通過Si元件既已明了，只要GaN也采用圖1的結(jié)構，物理特性上本應實現(xiàn)的耐壓性能就很難發(fā)揮出來。但是，本來對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柵極/漏極間的距離，而這樣芯片就會增大，芯片增大就意味著成本上升。
只要采用圖1的結(jié)構，GaN功率元器件的特點不僅是耐壓性能，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：確保高頻特性并實現(xiàn)高速動作
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非常少。起初羅姆以盡量確保高頻特性為目標進行了開發(fā)，結(jié)果表明，羅姆的“常開型(normally-on)”元器件的動態(tài)特性非常優(yōu)異。表中的td(on)、tr、td(off)、tf等特性指標表示高速性能。由于是“常開型(normally-on)”元器件，因此柵極進入負電壓瞬間，元器件關斷，0V時元器件導通。符號表示方法是：柵極電壓信號關斷時(元器件開始向ON移行時)為t = 0，源極/漏極間電壓Vds減少到施加電壓的90%之前的時間為td(on)，從90%減少到10%的時間為tr，另外，柵極電壓信號導通時(元器件開始向OFF移行時)為t = 0，Vds增加到施加電壓的10%之間的時間為td(off)，從10%增加到90%的時間為tf。
在現(xiàn)有的Si功率元器件中，td(on)、tr、td(off)、tf多為幾十 ns～100 ns左右，而在GaN-HEMT中，全部為數(shù)ns左右。假設進行10 MHz、duty50%的脈沖動作，ON/OFF時間僅為50ns，上升下降僅10ns，脈沖的實質(zhì)寬度已達30ns，無法確保矩形的波形。而使用這種元器件則無此問題，10 MHz亦可動作。
表2：“常開型(normally-on)”元器件的特性一覽表
對于GaN-HEMT來說，棘手的問題是電流崩塌。這是根據(jù)漏極電壓的施加狀態(tài)導通電阻發(fā)生變動的現(xiàn)象?？梢杂^測到使開關頻率變化時導通電阻變動、在Vds導通(ON)時無法完全為0V、關斷(OFF)時無法返回到施加電壓的現(xiàn)象。[!--empirenews.page--]
羅姆的“常開型(normally-on)”元器件使柵極電壓的開關頻率變化時的Vds表現(xiàn)如圖3所示。由于沒有優(yōu)化柵極驅(qū)動器，在10MHz存在duty沒有達到50%的問題，但在這個頻率范圍內(nèi)，沒有發(fā)現(xiàn)引起電流崩塌的趨勢。因此，可以認為，只要解決“常開(normally-on)”這一點，即可證明GaN卓越的高速動作性能。
今后：羅姆將積極推進常關型元器件的特性改善并進行應用探索
面向GaN元器件的發(fā)展，正因為幾乎所有的應用都是以“常關”為前提設計的，因此“常關化”的推進成為了時下的當務之急。如今羅姆正致力于推進高頻特性卓越的常關型元器件的特性改善，同時也在進行應用探索。為呈現(xiàn)出GaN最閃耀的應用和只有GaN才能實現(xiàn)的應用而加大開發(fā)力度，將不斷帶來全新的技術體驗。
在2012年11月16~21日于深圳舉辦的第十四屆高交會電子展上，您將在羅姆展臺上看到在這里介紹的以SiC功率元器件為首的眾多功率器件產(chǎn)品，歡迎蒞臨現(xiàn)場，親身體驗!
<術語解說>
注1：SJ-MOSFET
超級結(jié)MOSFET的縮寫。即超級結(jié)金屬氧化物場效應三極管。
注2：SiC
Silicon Carbide的縮寫。即碳化硅，是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑為原料通過電阻爐高溫冶煉而成。
注3：GaN
即氮化鎵，屬第三代半導體材料，六角纖鋅礦結(jié)構。
注4：寬禁帶(WBG)半導體
寬禁帶半導體材料(Eg大于或等于3.2ev)被稱為第三代半導體材料。主要包括金剛石、SiC、GaN等。
注5：IGBT
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅(qū)動式功率半導體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。
注6：FRD
快速恢復二極管(Fast Recovery Diode，縮寫成FRD)，是一種具有開關特性好、反向恢復時間短特點的半導體二極管。
注7：HEMT
高電子遷移率晶體管(High Electron Mobility Transistor)，是一種異質(zhì)結(jié)場效應晶體管，又稱為調(diào)制摻雜場效應晶體管(MODFET)、二維電子氣場效應晶體管(2-DEGFET)、選擇摻雜異質(zhì)結(jié)晶體管 (SDHT)等。這種器件及其集成電路都能夠工作于超高頻(毫米波)、超高速領域。
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