前言

　　在功率元器件的發展中，主要半導體材料當然還是Si。同樣在以Si為主體的LSI世界里，在“將基本元件晶體管的尺寸縮小到1/k，同時將電壓也降低到1/k，力爭更低功耗”的指導原理下，隨著微細加工技術的發展，實現了開關更加高速、大規模集成化。在功率元器件領域中，微細加工技術的導入滯后數年，需要確保工作電壓的極限(耐壓)并改善模擬性能。但是，通過微細化可以改善的性能僅限于100V以下的低耐壓范圍，在需要更高耐壓的領域僅采用微細加工無法改善性能，因此，就需要在結構上下工夫。21世紀初，超級結(SJ)-MOSFET注1進入實用階段，實現了超過MOSFET性能極限的性能改善。

　　然而，重要的特性——低導通電阻、柵極電荷量與耐壓在本質上存在權衡取舍的關系。在功率元器件中有成為單元的晶體管，將多個單元晶體管并聯可獲得低導通電阻。但這種做法需要同時并聯寄生于晶體管的電容，導致柵極電荷量上升。為了避免柵極電荷上升而進行微細化即將1個單元變小的話，耐壓能力又會下降。

　　作為解決這個問題的手法，除了像SJ-MOSFET一樣通過結構改善來提高性能，還通過變更材料來提高性能，就是使用了碳化硅(SiC) 注2和GaN注3這類寬禁帶(WBG)半導體注4的功率元器件。WBG材料的最大特點如表1所示，其絕緣擊穿電場強度較高。只要利用這個性質，就可提高與Si元件相同結構時的耐壓性能。只要實現有耐壓余量的結構，將這部分單元縮小、提高集成度，就可降低導通電阻。　　

 

　　本稿中將具體解說羅姆在“SiC”與“GaN”功率元器件領域的探索與發展。

　　第一章 羅姆在“SiC”功率元器件領域的飛躍發展

　　SiC(碳化硅)功率元器件是以碳和硅的化合物——碳化硅作為原材料制作而成。與以往的硅材料功率元器件相比，具有低導通電阻、高速開關、高溫作業的特點，所以許多研究機構和廠商將其視為新一代功率元器件，一直致力于對它的研發。由于其出色的性能，一直以“理想器件”備受期待的SiC功率器件近年來已得以問世。羅姆已批量生產SiC二極管和SiC-MOSFET，并于2012年3月開始批量生產內置上述兩種元器件的功率模塊。　　

 

　　①SiC-SBD(碳化硅肖特基勢壘二極管)：性能提升的第二代產品陸續登場

　　SiC‐SBD于2001年首次在世界上批量生產以來，已經過去10多年。羅姆從2010年開始在日本國內廠商中首次批量生產SiC-SBD，并且已經在各種機器中得到采用。與以往的Si-FRD(快速恢復二極管)相比，SiC-SBD可以大幅縮短反向恢復時間，因此恢復損耗可以降低至原來的三分之一。充分利用這些特性，在各種電源的PFC電路(連續模式PFC)和太陽能發電的功率調節器中不斷得到應用。

　　另外，羅姆備有耐壓600V、1200V的SiC-SBD產品線。并且將相繼銷售性能升級的第二代SiC-SBD。第二代SiC-SBD與以往產品相比，具有原來的短反向恢復時間的同時，降低了正向電壓。通常降低正向電壓，則反向漏電流也隨之增加。羅姆通過改善工藝和元器件結構，保持低漏電流的同時，成功降低了正向電壓。正向上升電壓也降低了0.1~0.15V，因此尤其在低負載狀態下長時間工作的機器中效率有望得到提高。

　　②SiC-MOSFET：有助于機器節能化、周邊零部件小型化發展

　　相對于不斷搭載到各種機器上的SiC-SBD，SiC-MOSFET的量產化，在各種技術方面顯得有些滯后。2010年12月，羅姆在世界上首次以定制品形式量產SiC-MOSFET。而且，從7月份開始，相繼開始量產1200V耐壓的第二代SiC-MOSFET “SCH系列”、“SCT系列”。

　　以往SiC-MOSFET由于體二極管通電引起特性劣化(MOSFET的導通電阻、體二極管的正向電壓上升)，成為量產化的障礙。然而，羅姆改善了與結晶缺陷有關的工藝和器件結構，并在2010年量產時克服了SiC-MOSFET在可靠性方面的難題。

　　1200V級的逆變器和轉換器中一般使用Si材質IGBT。SiC-MOSFET由于不產生Si材質IGBT上出現的尾電流(關斷時流過的過渡電流)，所以關斷時開關損耗可以減少90%，而且可實現50kHz以上的驅動開關頻率。

　　因此，可實現機器的節能化及散熱片、電抗器和電容等周邊元器件的小型化、輕量化。特別對于以往的Si材質IGBT，開關損耗比導通損耗高，在這種應用中進行替換，將具有良好效果。　　

      

　　③“全SiC”功率模塊：100kHz以上高頻驅動、開關損耗降低

　　現在，1200V級的功率模塊中，Si材質IGBT和FRD組成的IGBT模塊被廣泛應用。羅姆開發了搭載SiC-MOSFET和SiC-SBD的功率模塊(1200V/100A半橋結構，定制品)以替換以往的硅材質器件，并從3月下旬開始量產、出貨。通用品(1200V/120A半橋結構)也將很快量產。