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，同時將電壓也降低到1/k，力爭更低功耗”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(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，其絕緣擊穿電場強(qiáng)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(gòu)時的耐壓性能。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。

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(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㏒BD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(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(gòu)，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(fù)載狀態(tài)下長時間工作的機(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(guān)斷時流過的過渡電流)，所以關(guān)斷時開關(guān)損耗可以減少90%，而且可實(shí)現(xiàn)50kHz以上的驅(qū)動開關(guān)頻率。[!--empirenews.page--]

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、開關(guān)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(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)。

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?？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，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(shí)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(guān)鍵。羅姆在兩個方面進(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(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，還有一種稱為“WBG”的材料，與發(fā)光元件應(yīng)用幾乎同一時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(jìn)行非?？斓拈_關(guān)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(gòu)

圖2：AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)

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(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作性能。因而，GaN晶體管常被稱為GaN-HEMT注7。[!--empirenews.page--]

“GaN”功率元器件的特性：確保高頻特性并實(shí)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(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時元器件導(dǎo)通。符號表示方法是：柵極電壓信號關(guān)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(dǎo)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(shè)進(jìn)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(shí)質(zhì)寬度已達(dá)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(dǎo)通電阻發(fā)生變動的現(xiàn)象。可以觀測到使開關(guān)頻率變化時導(dǎo)通電阻變動、在Vds導(dǎo)通(ON)時無法完全為0V、關(guān)斷(OFF)時無法返回到施加電壓的現(xiàn)象。

羅姆的“常開型(normally-on)”元器件使柵極電壓的開關(guān)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(dá)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(rèn)為，只要解決“常開(normally-on)”這一點(diǎn)，即可證明GaN卓越的高速動作性能。

圖3：常開(normally-on)GaN晶體管的開關(guān)頻率特性

今后：羅姆將積極推進(jìn)常關(guān)型元器件的特性改善并進(jìn)行應(yīng)用探索

面向GaN元器件的發(fā)展，正因?yàn)閹缀跛械膽?yīng)用都是以“常關(guān)”為前提設(shè)計(jì)的，因此“常關(guān)化”的推進(jìn)成為了時下的當(dāng)務(wù)之急。如今羅姆正致力于推進(jìn)高頻特性卓越的常關(guān)型元器件的特性改善，同時也在進(jìn)行應(yīng)用探索。為呈現(xiàn)出GaN最閃耀的應(yīng)用和只有GaN才能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用而加大開發(fā)力度，將不斷帶來全新的技術(shù)體驗(yàn)。