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㏒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-SBD的模块，可实现100kHz以上的高频驱动。可大幅降低IGBT注5尾电流和FRD注6恢复电流引起的开关损耗。因此，通过模块的冷却结构简化（散热片的小型化，水冷却、强制空气冷却的自然空气冷却）和工作频率高频化，可实现电抗器和电容等的小型化。
 
另外，由于开关损耗低，所以适于20kHz及更高开关频率的驱动，在此情况下，也可以用额定电流120A的SiC模块替换额定电流200-400A的IGBT模块。
 
今后：罗姆将全面推动SiC元器件的普及
 
相对于已经具有大量采用实绩的SiC-SBD而言，SiC-MOSFET和全SiC功率模块的真正采用现在才开始。相对以往硅材质器件的性能差别和成本差别的平衡将成为SiC器件真正普及的关键。罗姆在两个方面进行着技术开发：①基于SiC电路板大口径化，降低SiC器件成本 ②相对硅材质器件，开发在性能上具有绝对优势的新一代SiC器件。今后，罗姆将通过扩大普及SiC器件，助力于全球范围内实现节能和减少CO２的排放。
 
第二章罗姆在“GaN”功率元器件领域的前沿探索
 
GaN功率元器件是指电流流通路径为GaN的元器件。“GaN”曾被作为发光材料进行过研究，现在仍然作为已普及的发光二极管(LED)照明的核心部件蓝色LED用材料广为使用。同时，还有一种称为“WBG”的材料，与发光元件应用几乎同一时期开始研究在功率元器件上的应用，现已作为高频功率放大器进入实用阶段。
GaN与Si和SiC元件的不同之处在于元件的基本“形状”。图1为使用GaN的电子元器件的一般构造。晶体管有源极、栅极、漏极3个电极，Si和SiC功率元器件称为“纵向型”，一般结构是源极和栅极在同一面，漏极电极在基板侧。GaN为源极、栅极、漏极所有电极都在同一面的“横向型”结构。在以产业化为目的的研究中，几乎都采用这种横向型结构。
 
之所以采用横向型结构，是因为希望将存在于AlGaN/GaN界面的二维电子气(2DEG)作为电流路径使用。GaN既是具有自发电介质极化(自发极化)的晶体，也是给晶体施加压力即会重新产生压电极化(极化失真)的压电材料。AlGaN与GaN在自发极化存在差别，由于晶格常数不同，如果形成如图1中的AlGaN/GaN异质结，为了匹配晶格常数，晶体畸变，还会发生极化失真。因这种无意中产生的电介质极化之差，如图2所示，GaN的禁带向AlGaN下方自然弯曲。因此，其弯曲部分产生2DEG。由于这种2DEG具有较高的电子迁移率(1500 cm2/Vs左右)，因此可进行非常快的开关动作。但是，其另外一面，相反，由于电子流动的路径常时存在，因此成为栅极电压即使为0V电流也会流过的称为“常开型(normally-on)”的元件。
 

 
 
正如之前所提及的，对WBG材料的最大期待是提高耐压性能。由于SiC基本可以实现与Si相同的纵向型结构，因此发挥材料特性的耐压性能得以提升。但是，GaN则情况不同。图1所示的横向型结构较难提升耐压性能，这一点通过Si元件既已明了，只要GaN也采用图1的结构，物理特性上本应实现的耐压性能就很难发挥出来。但是，本来对WBG材料的期待就是耐压特性，因此，发布的GaN元器件多为耐压提升产品。但是，提升耐压性能的方法基本上只能通过增加栅极/漏极间的距离，而这样芯片就会增大，芯片增大就意味着成本上升。
 
只要采用图1的结构，GaN功率元器件的特点不仅是耐压性能，还有使用２DEG的高速电子迁移率而来的高频动作性能。因而，GaN晶体管常被称为GaN-HEMT注7。
“GaN”功率元器件的特性：确保高频特性并实现高速动作
 
罗姆开发的“常开型(normally-on)”型元器件的特性见表2，是栅极宽度为9.6cm的元器件，命名为“HEMT”，可查到的其高频特性的文献非常少。起初罗姆以尽量确保高频特性为目标进行了开发，结果表明，罗姆的“常开型(normally-on)”元器件的动态特性非常优异。表中的td(on)、tr、td(off)、tf等特性指标表示高速性能。由于是“常开型(normally-on)”元器件，因此栅极进入负电压瞬间，元器件关断，0V时元器件导通。符号表示方法是：栅极电压信号关断时（元器件开始向ON移行时）为t = 0，源极/漏极间电压Vds减少到施加电压的90%之前的时间为td(on)，从90%减少到10%的时间为tr，另外，栅极电压信号导通时（元器件开始向OFF移行时）为t = 0，Vds增加到施加电压的10%之间的时间为td(off)，从10%增加到90%的时间为tf。
 
在现有的Si功率元器件中，td(on)、tr、td(off)、tf多为几十 ns～100 ns左右，而在GaN-HEMT中，全部为数ns左右。假设进行10 MHz、duty50%的脉冲动作，ON/OFF时间仅为50ns，上升下降仅10ns，脉冲的实质宽度已达30ns，无法确保矩形的波形。而使用这种元器件则无此问题，10 MHz亦可动作。
  

  
对于GaN-HEMT来说，棘手的问题是电流崩塌。这是根据漏极电压的施加状态导通电阻发生变动的现象。可以观测到使开关频率变化时导通电阻变动、在Vds导通（ON）时无法完全为0V、关断（OFF）时无法返回到施加电压的现象。
 
罗姆的“常开型(normally-on)”元器件使栅极电压的开关频率变化时的Vds表现如图3所示。由于没有优化栅极驱动器，在10MHz存在duty没有达到50%的问题，但在这个频率范围内，没有发现引起电流崩塌的趋势。因此，可以认为，只要解决“常开(normally-on)”这一点，即可证明GaN卓越的高速动作性能。
  

  
今后：罗姆将积极推进常关型元器件的特性改善并进行应用探索
 
面向GaN元器件的发展，正因为几乎所有的应用都是以“常关”为前提设计的，因此“常关化”的推进成为了时下的当务之急。如今罗姆正致力于推进高频特性卓越的常关型元器件的特性改善，同时也在进行应用探索。为呈现出GaN最闪耀的应用和只有GaN才能实现的应用而加大开发力度，将不断带来全新的技术体验。