聚焦"SiC"与"GaN"—罗姆在新一代功率元器件领域的飞跃发展与前沿探索

2012-11-16

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。
表1:各种功率元器件材料的物理特性比较 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。

 罗姆在SiC功率元器件领域的飞跃发展

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
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。
全SiC功率模块:100kHz以上高频驱动、开关损耗降低 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。

图1:GaN晶体管的单元晶体管基本结构   图2:AlGaN/GaN异质结能带结构

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。

常开型(normally-on)元器件的特性一览表

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。

图3:常开(normally-on)GaN晶体管的开关频率特性

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。

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,您将在罗姆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,欢迎莅临现场,亲身体验!

<术语解说>
注1: SJ-MOSFET
超级结MOSFET的缩写。即超级结金属氧化物场效应三极管。
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。
注3: GaN
即氮化镓,属第三代半导体材料,六角纤锌矿结构。
注4: 宽禁带(WBG)半导体
宽禁带半导体材料(Eg大于或等于3.2ev)被称为第三代半导体材料。主要包括金刚石、SiC、GaN等。
注5: IGBT
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)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。
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。
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工作于超高频(毫米波)、超高速领域。
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