GaN和SiC將區(qū)分使用

　　2015年，市場(chǎng)上或許就可以穩(wěn)定采購(gòu)到功率元件用6英寸SiC基板。并且，屆時(shí)GaN類(lèi)功率元件除了硅基板之外，還有望使用GaN基板。也就是說(shuō)，2015年前后，SiC制功率元件與GaN類(lèi)功率元件就均可輕松制造了。

　　在對(duì)大幅減少電力轉(zhuǎn)換器中的電力損失以及縮小電力轉(zhuǎn)換器尺寸有強(qiáng)烈要求的用途方面，估計(jì)會(huì)采用SiC及GaN。兩種元件最初將根據(jù)使用終端的電力容量及開(kāi)關(guān)頻率區(qū)分使用。

　　GaN將主要用于中低容量用途，SiC將主要用于大容量用途。而且，由于GaN制功率元件更適合高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作，因此要求更高開(kāi)關(guān)頻率的用途估計(jì)會(huì)采用GaN。

　　SiC功率元件有望降低成本，SBD或?qū)⒔抵凉瓒O管的兩倍

　　與硅制功率半導(dǎo)體元件相比，SiC制功率元件的電力損失小，可以高速開(kāi)關(guān)，而且耐熱性高等，性能更加出色。SiC制肖特基二極管（SBD）于2001年投產(chǎn)，SiC制MOSFET于2010年投產(chǎn)，其中SiC制SBD已被配備于空調(diào)及鐵路車(chē)輛用逆變器等，SiC制功率元件的采用正在逐步擴(kuò)大。

　　新日本制鐵開(kāi)發(fā)的6英寸SiC基板

　　但SiC制功率元件要進(jìn)一步普及到混合動(dòng)力車(chē)及電動(dòng)汽車(chē)等電動(dòng)車(chē)輛、工業(yè)設(shè)備以及白色家電的電源電路等領(lǐng)域，價(jià)格及性能方面還存在課題。SBD仍十分昂貴，SiC制MOSFET不僅價(jià)格高，而且沒(méi)有完全發(fā)揮出SiC的出色材料特性。不過(guò)，有助于解決這些問(wèn)題的研究成果接連問(wèn)世（表1）。

　　6英寸基板將于2012年面世

　　對(duì)降低SiC制功率元件的成本十分重要的是，制造元件時(shí)使用的基板的大小。基板的口徑越大，功率元件的生產(chǎn)效率越高，也就越有利于降低成本。

　　目前已產(chǎn)品化的功率元件用SiC基板的最大口徑是4英寸，估計(jì)6英寸產(chǎn)品最早將會(huì)在2012年內(nèi)面世。除了SiC基板份額居首的美國(guó)科銳之外，新日本制鐵也宣布將在2012年開(kāi)始樣品供貨SiC基板。2015年以后，估計(jì)會(huì)有多家企業(yè)提供基板，而且結(jié)晶缺陷更少。

　　與3英寸擴(kuò)大至4英寸相比，口徑擴(kuò)大至6英寸對(duì)降低成本起到的作用更大。其原因是，目前硅制功率元件都使用口徑為6～8英寸的硅基板制造，6英寸SiC基板面世后，更加便于在生產(chǎn)SiC制功率元件時(shí)沿用現(xiàn)有裝置。

　　據(jù)法國(guó)調(diào)查公司Yole Developpement介紹，采用4英寸基板的SBD價(jià)格為每安培輸出電流約16美分。采用6英寸基板之后，有望降至每安培10美分以下。

　　目前，用于電源電路用途的硅制二極管方面，“耐壓600V、輸出電流為5A的產(chǎn)品為25日元左右”（功率半導(dǎo)體技術(shù)人員）。也就是說(shuō)，如果6英寸基板能夠穩(wěn)定供應(yīng)，SiC制SBD的價(jià)格將降至硅制二極管的1.5～2倍左右。如果能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的價(jià)格，估計(jì)SiC制SBD將會(huì)“迅速普及”（該技術(shù)人員）注1）。

　　注1） 6英寸基板面世后，便于生產(chǎn)電動(dòng)車(chē)輛所需要的、每個(gè)芯片可承受100A以上大電流的10mm見(jiàn)方以上大尺寸芯片。

　　導(dǎo)通電阻降至1/20以下

　　SiC制SBD的普及出現(xiàn)曙光，而SiC制MOSFET的開(kāi)發(fā)焦點(diǎn)則是如何發(fā)揮SiC的出色材料特性。其中，為減少導(dǎo)通時(shí)的損失而降低導(dǎo)通電阻的研發(fā)正在推進(jìn)之中。目標(biāo)是將導(dǎo)通電阻降至Si制功率元件的1/10以下。

　　羅姆2011年12月發(fā)布了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的溝道型MOSFET。通過(guò)減小通道電阻及基板電阻，降低了導(dǎo)通電阻，從而在耐壓600V下實(shí)現(xiàn)了0.79mΩcm2的導(dǎo)通電阻，在耐壓1200V下實(shí)現(xiàn)了1.41mΩcm2（圖1）。據(jù)該公司介紹，與原來(lái)的硅制MOSFET相比，導(dǎo)通電阻不到1/20，與已量產(chǎn)的SiC制MOSFET相比也不到1/7。

　　圖1：在耐壓600V下導(dǎo)通電阻低于1mΩcm2

　　羅姆試制出了在耐壓600V下導(dǎo)通電阻低于1mΩcm2的溝道型SiC制MOSFET。與該公司的原產(chǎn)品相比，通道電阻約降低了80％，基板電阻約降低70％，導(dǎo)通電阻還不到一半（a）。通過(guò)采用柵極和源極都形成溝道的“雙溝道構(gòu)造”，減輕了柵極部分的電場(chǎng)集中效應(yīng)（b）。

　　羅姆表示將在爭(zhēng)取2013年度內(nèi)使溝道型SiC制MOSFET實(shí)用化。

　　內(nèi)置回流二極管

　　在提高SiC制MOSFET性能的同時(shí)，通過(guò)減少部件數(shù)量，抑制采用SiC制功率元件時(shí)的成本增加的研發(fā)也在進(jìn)行之中。

　　典型例子是松下2011年12月作為研發(fā)成果發(fā)布的內(nèi)置有回流二極管的SiC制MOSFET。該產(chǎn)品通過(guò)內(nèi)置回流二極管來(lái)減少逆變器電路中的部件數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)了電路的低成本化及小型化。

　　此前，MOSFET內(nèi)置的二極管啟動(dòng)電壓高達(dá)約2.5V，難以達(dá)到實(shí)用水平。而松下的試制品將該電壓降低到了0.5V。而且，據(jù)松下介紹，SiC制二極管的溫度特性?xún)?yōu)于普通SBD（圖2）。盡管松下沒(méi)有具體的商業(yè)化計(jì)劃，但估計(jì)約兩年后可以解決實(shí)用化所面臨的技術(shù)課題。

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　　圖2：溫度特性?xún)?yōu)于SiC制SBD

　　松下試制出了內(nèi)置有回流二極管的SiC制MOSFET。據(jù)該公司介紹，與普通的SiC制SBD相比，內(nèi)置二極管的溫度特性十分出色。獲得某一電流輸出值所需要的正向電壓在高溫下也不易發(fā)生變化。