聚焦"SiC"与"GaN"—永利集团在新一代功率元器件领域的奔腾生长与前沿探索
前言
在功率元器件的生长中，主要半导体质料虽然照旧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生长，实现了开关越发高速、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，需要确保事情电压的极限(耐压)并改善模拟性能。可是，通过微细化可以改善的性能仅限于100V以下的低耐压规模，在需要更高耐压的领域仅接纳微细加工无法改善性能，因此，就需要在结构上下惫�。21世纪初，超等结(SJ)-MOSFET注1进入实用阶段，实现了凌驾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实质上保存权衡取舍的关系。在功率元器件中有成为单位的晶体管，将多个单位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。为了制止栅极电荷上升而进行微细化即将1个单位变小的话，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，还通过变换质料来提高性能，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质料的最大特点如表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，将这部分单位缩小、提高集成度，就可降低导通电阻。
本稿中将具体解说永利集团在"SiC"与"GaN"功率元器件领域的探索与生长。
第一章 永利集团在"SiC"功率元器件领域的奔腾生长
SiC(碳化硅)功率元器件是以碳和硅的化合物——碳化硅作为原质料制作而成。与以往的硅质料功率元器件相比，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。由于其精彩的性能，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。永利集团已批量生产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� ？�。
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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，已经已往10多年。永利集团从2010年开始在日本海内厂商中首次批量生产SiC-SBD，并且已经在种种机械中获得接纳。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，在种种电源的PFC电路(连续模式PFC)和太阳能发电的功率调理器中不绝获得应用。
另外，永利集团备有耐压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。永利集团通过改善工艺和元器件结构，坚持低漏电流的同时，乐成降低了正向电压。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事情的机械中效率有望获得提高。
| ②SiC-MOSFET：有助于机械节能化、周边零部件小型化生长 | ||
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相关于不绝搭载到种种机械上的SiC-SBD，SiC-MOSFET的量产化，在种种技术方面显得有些滞后。2010年12月，永利集团在世界上首次以定制品形式量产SiC-MOSFET。并且，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"。 |
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③"全SiC"功率� ？椋�100kHz以上高频驱动、开关损耗降低
现在，1200V级的功率� ？橹�，Si材质IGBT和FRD组成的IGBT� ？楸还惴河τ�。永利集团开发了搭载SiC-MOSFET和SiC-SBD的功率� ？�(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。
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?作为替换硅材质器件，搭载SiC-MOSFET和SiC-SBD的� ？�，可实现100kHz以上的高频驱动� ？纱蠓档虸GBT注5尾电流和FRD注6恢复电流引起的开关损耗。因此，通过� ？榈睦淙唇峁辜蚧�(散热片的小型化，水冷却、强制空气冷却的自然空气冷却)和事情频率高频化，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� ？樘婊欢疃ǖ缌�200-400A的IGBT� ？�。 |
今后：永利集团将全面推动SiC元器件的普及
相关于已经具有大宗接纳实绩的SiC-SBD而言，SiC-MOSFET和全SiC功率� ？榈恼嬲幽上衷诓趴�。相对以往硅材质器件的性能差别和本钱差别的平衡将成为SiC器件真正普及的要害。永利集团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器件本钱 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，永利集团将通过扩大普及SiC器件 ，助力于全球规模内实现节能和减少CO２的排放。
第二章 永利集团在"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"曾被作为发光质料进行过研究，现在仍然作为已普及的发光二极管(LED)照明的焦点部件蓝色LED用质料广为使用。同时，另有一种称为"WBG"的质料，与发光元件应用险些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元件的差别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结构。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。在以工业化为目的的研究中，险些都接纳这种横向型结构。
之所以接纳横向型结构，是因为希望将保存于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爆发压电极化(极化失真)的压电质料。AlGaN与GaN在自发极化保存差别，由于晶格常数差别，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，还会爆发极化失真。因这种无意中爆发的电介质极化之差，如图2所示，GaN的禁带向AlGaN下方自然弯曲。因此，其弯曲部分爆发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� ？斓目匦卸�。可是，其另外一面，相反，由于电子流动的路径常时保存，因此成为栅极电压纵然为0V电流也会流过的称为"� ？�(normally-on)"的元件。
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正如之前所提及的，对WBG质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，因此发挥质料特性的耐压性能得以提升。可是，GaN则情况差别。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也接纳图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。可是，原来对WBG质料的期待就是耐压特性，因此，宣布的GaN元器件多为耐压提升产品。可是，提升耐压性能的要领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，芯片增大就意味着本钱上升。
只要接纳图1的结构，GaN功率元器件的特点不可是耐压性能，另有使用２DEG的高速电子迁移率而来的高频行动性能。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行动
永利集团开发的"� ？�(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很是少。起初永利集团以尽量确保高频特性为目标进行了开发，结果标明，永利集团的"� ？�(normally-on)"元器件的动态特性很是优异。表中的td(on)、tr、td(off)、tf等特性指标体现高速性能。由于是"� ？�(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。符号体现要领是：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%的脉激行动，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亦可行动。
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关于GaN-HEMT来说，棘手的问题是电流崩塌。这是凭据漏极电压的施加状态导通电阻爆发变换的现象� ？梢允硬斓绞箍仄德时涓锸钡纪ǖ缱璞浠弧⒃赩ds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。
永利集团的"� ？�(normally-on)"元器件使栅极电压的开关频率变革时的Vds体现如图3所示。由于没有优化栅极驱动器，在10MHz保存duty没有抵达50%的问题，但在这个频率规模内，没有发明引起电流崩塌的趋势。因此，可以认为，只要解决"� ？�(normally-on)"这一点，即可证明GaN卓越的高速行动性能。
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今后：永利集团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元器件的生长，正因为险些所有的应用都是以"常关"为前提设计的，因此"常关化"的推进成为了时下确当务之急。如今永利集团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。为泛起出GaN最闪耀的应用和只有GaN才华实现的应用而加大开发力度，将不绝带来全新的技术体验。
在2012年11月16~21日于深圳举办的第十四届高交会电子展上，您将在永利集团展台上看到在这里介绍的以SiC功率元器件为首的众多功率器件产品，接待莅临现场，亲身体验！
| ＜术语解说＞ | ||
| 注1： |
SJ-MOSFET 超等结MOSFET的缩写。即超等结金属氧化物场效应三极管。 |
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| 注2： |
SiC Silicon Carbide的缩写。即碳化硅，是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑为原料通过电阻炉高温冶炼而成。 |
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| 注3： |
GaN 即氮化镓，属第三代半导体质料，六角纤锌矿结构。 |
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| 注4： |
宽禁带(WBG)半导体 宽禁带半导体质料(Eg大于或即是3.2ev)被称为第三代半导体质料。主要包括金刚石、SiC、GaN等。 |
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| 注5： |
IGBT IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝悦魅栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝悦魅栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。 |
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| 注6： |
FRD 快速恢复二极管(Fast Recovery Diode,缩写成FRD),是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管。 |
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| 注7： |
HEMT 高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor)，是一种异质结场效应晶体管，又称为调制掺杂场效应晶体管(MODFET)、二维电子气场效应晶体管(2-DEGFET)、选择掺杂异质结晶体管 (SDHT)等。这种器件及其集成电路都能够事情于超高频(毫米波)、超高速领域。 |
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