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。
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-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。
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。
<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。
市场增长显露曙光
使用碳化硅的功率半导体元件在实现逆变器等电力转换装置的小型化及减少损失方面比较有效,因此相关元器件企业正在积极推进产品开发。昭和电工称,此次增加产能的原因在于,“在家电产品等低电压低电流应用领域,已开始逐渐产生实际需求,而且在铁路车辆及工业设备等高电压、大电流领域,开发项目也在增多”。碳化硅元件与作为竞争对手的硅元件相比,价格较高,这已经成为实现普及的瓶颈,但如果优质外延晶圆的供应量增加,便有望降低元件成本(图1)。
图1 昭和电工4英寸碳化硅外延晶圆
通过在存在结晶缺陷的碳化硅晶圆上形成均质的外延层,可提高以此为基础制造的元器件的性能及成品率。
实际上,推进碳化硅元件开发的企业活动正日趋活跃。开拓该领域市场最为积极的罗姆公司于2012年3月举行了媒体说明会,公布了关于碳化硅相关业务的展望。该公司称,虽然2010年的销售额仅为17亿日元,但2011年达到35亿日元,实现了倍增,预计2012年将增长到50亿日元。并宣布2014年力争实现160亿日元的销售额。
开展碳化硅元件业务的企业还有三菱电机公司和富士电机公司等多家企业,但各家企业在销售预测方面均持慎重态度,大多未具体公布几年后的目标。从罗姆此次公布相关信息可以看出,碳化硅元件用户企业正从开发阶段稳步进入实际需求阶段。
应用范围逐步拓宽
逆变器是应用功率半导体的代表性产品。这是一种将直流电转变为交流电的电力转换装置,如果用于驱动交流马达,可根据负荷控制转数,因此可大幅实现节能。在日本,早就开始将之应用于空调及洗衣机等领域。今后,如果能进一步应用于产业马达等领域,从整体来看,将有望实现非常大的节能效果。这是因为,日本目前约60%的电力消费在于马达,但其中逆变器的利用率仅为10%左右(图2)。
图2 马达耗电量占整体耗电量的60%
据称其中逆变器利用率仅为10%。
不仅限于驱动马达,逆变器及转换器(将交流转换为直流)等电力转换装置被广泛应用于各种用途。在大量使用太阳能电池和定置式蓄电池等直流装置的智能电网等领域,今后尤其需要用到这些装置。而且在提高充电电池直流电压,以驱动马达的混合动力车(HEV)及纯电动汽车(EV)领域,也是关键装置。大量使用直流设备的数据中心等对小型高效电力转换装置的需求也非常大(图3)。
图3 功率半导体应用领域
电力转换器用于多种领域,可提高马达及电源电路的能源利用效率。
功率半导体市场发展潜力巨大
再来看看电力转换装置所使用的普通硅功率半导体市场。2010年全球半导体市场规模约为25万亿日元(按1美元80日元换算,以下同),而其中作为功率半导体代表的功率MOSFET约为5000亿日元,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为2500亿日元左右。虽然从金额来看,规模比较小,但增长潜力较大,调查公司IHSiSuppli Japan预测,到2015年,功率MOSFET将增长到约1万亿日元,绝缘栅双极型晶体管将达到4000亿日元左右,两者合在一起,或许能在5年时间内实现倍增。
这一发展趋势的背景原因,不仅是发达国家出现节能热,还有新兴市场国家快速的经济发展。电力转换装置有望出现在社会各个领域,成为一种“生活必需品”,随着人口较多的新兴市场国家现代化的发展,将会产生大量需求。
硅半导体的设计技术及制造技术均已成熟,能够以低成本进行大量生产。但另一方面,由于材料特性的原因,其性能存在极限,无法用于某些用途。碳化硅和氮化镓将通过突破硅的性能极限来开拓新市场(图4)。
图4 新一代功率半导体可超越硅的性能极限
碳化硅主要适合用于大电力领域,氮化镓适合用于低电力、转换速度较快的领域。并且,由于可实现低损耗及小型化,因此还可替代现有的硅元件。
新产品新技术相继问世
带隙是半导体的基本特性,碳化硅和氮化镓的带隙比硅大3倍左右,绝缘破坏电场也高一位数。在高温下也能工作,流经电流时的阻力(导通电阻)较小,也就是能够制造能量损失较小的元器件(图5)。
图5 碳化硅与氮化镓的材料物性(a)与做成元件后的优点(b)
在日本,京都大学和产业技术综合研究所等很早就开始关注上述新材料,一直在推进基础研究及元器件研究。并且,官方研究机构和民营企业之间也合作实施了多个研究项目。2010年,经济产业省、内阁府、产综研及新能源产业技术综合开发机构等启动了更注重实用化的新研究项目,也有多家民营企业参加。由于这些项目涉及晶圆制造技术、元器件技术、系统技术及生产技术等多方面,因此经济产业省于2010年建立了旨在推动项目间合作的组织“碳化硅联盟”,目前正在提高运营效率。
上述研究项目已开始逐渐取得成果,近年来,有多家企业相继公布了与新一代功率半导体相关的新产品及新技术。
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