聚焦“SiC”与“GaN”—新一代功率元器件的前沿

前言

在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。　

本稿中将具体解说罗姆在"SiC"与"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‐SBD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-MOSFET在可靠性方面的难题。

1200V级的逆变器和转换器中一般使用Si材质IGBT。SiC-MOSFET由于不产生Si材质IGBT上出现的尾电流（关断时流过的过渡电流），所以关断时开关损耗可以减少90%，而且可实现50kHz以上的驱动开关频率。

因此，可实现机器的节能化及散热片、电抗器和电容等周边元器件的小型化、轻量化。特别对于以往的Si材质IGBT，开关损耗比导通损耗高，在这种应用中进行替换，将具有良好效果。

③"全SiC"功率模块：100kHz以上高频驱动、开关损耗降低

现在，1200V级的功率模块中，Si材质IGBT和FRD组成的IGBT模块被广泛应用。罗姆开发了搭载SiC-MOSFET和SiC-SBD的功率模块(1200V/100A半桥结构，定制品)以替换以往的硅材质器件，并从3月下旬开始量产、出货。通用品(1200V/120A半桥结构)也将很快量产。

作为替换硅材质器件，搭载SiC-MOSFET和SiC-SB