在現(xiàn)代能源基礎(chǔ)設(shè)施中，電力電子技術(shù)仍以過去幾十年的陳舊技術(shù)為基礎(chǔ)。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，技術(shù)的不斷發(fā)展，科技產(chǎn)品也日新月異，產(chǎn)品都需要功率器件，好的功率器件需要更好的設(shè)計(jì)者來設(shè)計(jì)，功率器件對(duì)電子產(chǎn)品是功不可沒的。硅材料在很多方面已經(jīng)接近其理論性能極限，因此業(yè)界在不斷尋找新的半導(dǎo)體元器件材料，以期從根本上提升轉(zhuǎn)化和利用電力的效率。

SiC功率器件作為可顯著減少功率轉(zhuǎn)換損耗的關(guān)鍵器件而得到業(yè)界的廣泛關(guān)注，其供應(yīng)商以美國(guó)Cree、日本ROHM等公司為典型代表。2010年，ROHM率先宣布量產(chǎn)SiC MOSFET產(chǎn)品，開始了這一產(chǎn)品的市場(chǎng)化進(jìn)程。近年來，ROHM不斷推進(jìn)SiC領(lǐng)域的創(chuàng)新研究，在進(jìn)一步降低功率損耗方面尋求不斷突破。

某功率模塊

SiC功率器件有什么優(yōu)勢(shì)?

ROHM半導(dǎo)體(深圳)有限公司分立元器件部高級(jí)經(jīng)理水原德健從基本原理出發(fā)，闡述了功率元器件的特性、SiC的優(yōu)勢(shì)以及未來的發(fā)展趨勢(shì)。據(jù)其介紹，功率元器件的損耗包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。從下圖可見，導(dǎo)通損耗是電流流經(jīng)元器件時(shí)(ON狀態(tài))，因元器件的電阻成分而產(chǎn)生的損耗，芯片面積越大，導(dǎo)通損耗越小;而開關(guān)損耗則是指將元器件的通電狀態(tài)進(jìn)行ON→OFF、OFF→ON切換時(shí)，每次開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的損耗。在生產(chǎn)功率元器件時(shí)，如何將損耗降到最低，對(duì)于提升產(chǎn)品的效率有至關(guān)重要的意義。

對(duì)于SiC在功率器件中的優(yōu)勢(shì)，水原德健表示，主要在于SiC可以有效降低功率轉(zhuǎn)換時(shí)的損耗，它有三個(gè)最重要的特性：高壓特性、高頻特性、高溫特性，正因?yàn)檫@三個(gè)特性，它才可以實(shí)現(xiàn)比Si更低的導(dǎo)通電阻、以更高的頻率高速工作，并且可以經(jīng)受更高的溫度，從而可實(shí)現(xiàn)模塊和周邊元器件的小型化，以及冷卻機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化。水原德健強(qiáng)調(diào)，與其他SiC廠商相比，ROHM的最大優(yōu)勢(shì)在于是一條龍的生產(chǎn)體制，2009時(shí)ROHM收購(gòu)了SiCrystal公司，它是一家專門做SiC材料的德國(guó)公司，有了它提供材料，ROHM會(huì)在德國(guó)完成晶圓，然后在日本的福岡、京都做芯片的封裝和SiC模組，據(jù)介紹，ROHM是全球唯一一家可以實(shí)現(xiàn)一條龍生產(chǎn)的SiC生產(chǎn)廠商。

SiC MOSFET從平面到溝槽，有多少路要走?

ROHM于2002年開始SiC的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，并于2008年推出了全球首個(gè)導(dǎo)通電阻1.7 mΩ?cm2的SiC MOSFET;2011年，ROHM打破導(dǎo)通電阻1mΩ?cm2壁壘，推出超低損耗SiC MOSFET;近來，ROHM又宣布其第三代SiC MOSFET產(chǎn)品——Trench MOSFET(溝槽型MOSFET)，并建立起了完備的量產(chǎn)體系。

那么，較前兩代產(chǎn)品，溝槽型MOSFET有哪些不同?又有哪些主要特點(diǎn)?水原德健介紹，上一代產(chǎn)品是平面MOSFET，溝槽型MOSFET最大的不同在于它的門極部分為溝槽結(jié)構(gòu)，可提高cell密度，從而打造導(dǎo)通損耗更低、開關(guān)性能更好的元器件。

他補(bǔ)充，溝槽型SiC MOSFET有一些尚存的技術(shù)難題，最大的挑戰(zhàn)在于門極部分有很薄的氧化膜，當(dāng)有大電流流過時(shí)，很容易將其破壞。一旦氧化膜遭到破壞，整個(gè)產(chǎn)品就失效了。因此解決問題的關(guān)鍵在于如何提升門極的強(qiáng)度。ROHM在設(shè)計(jì)新構(gòu)造時(shí)，通過源級(jí)、柵極的雙溝槽結(jié)構(gòu)，從而分散了大電流在門極的聚集。即瞬間電場(chǎng)從源極流走的越多，門極耐破壞性就越強(qiáng)。

與已經(jīng)量產(chǎn)中的平面型SiC MOSFET相比，導(dǎo)通電阻可降低約50%，同時(shí)還提高了開關(guān)性能(輸入電容降低約35%)。這將大幅降低太陽能發(fā)電用功率調(diào)節(jié)器和工業(yè)設(shè)備用電源、工業(yè)用逆變器等所有相關(guān)設(shè)備的功率損耗，對(duì)于太陽能發(fā)電用功率調(diào)節(jié)器和工業(yè)設(shè)備用電源等所有設(shè)備的節(jié)能化、小型化、輕量化起著關(guān)鍵性的作用。

不僅如此，ROHM還開發(fā)出采用此次開發(fā)的溝槽結(jié)構(gòu)SiC MOSFET的“全SiC”功率模塊。該產(chǎn)品內(nèi)部電路為2in1結(jié)構(gòu)，采用SiC MOSFET及SiC SBD，額定電壓1200V，額定電流180A。與同等水平額定電流的Si IGBT模塊產(chǎn)品相比，其顯著優(yōu)勢(shì)自不必言說，即使與使用平面型SiC MOSFET的“全SiC”模塊相比，其開關(guān)損耗也降低了約42%。

SiC MOSFET發(fā)展趨勢(shì)

據(jù)介紹，ROHM的第二代SiC MOSFET正在量產(chǎn)中，主要是1200V和650V的產(chǎn)品。1200V的產(chǎn)品，最小可以做到45mΩ，650V的主要以120 mΩ為主。而第三代產(chǎn)品，主要還是以1200V的40mΩ、650V的30 mΩ為主，未來會(huì)做到22 mΩ和17 mΩ。自今年10月份開始，ROHM會(huì)逐步開始這些產(chǎn)品的量產(chǎn)。未來，ROHM還將繼續(xù)開發(fā)118A(650V)、95A(1200V)的分立產(chǎn)品。

ROHM現(xiàn)在的MOSFET產(chǎn)品電壓為650V和1200V，今后還會(huì)推出1700V甚至更高電壓的產(chǎn)品，主要針對(duì)鐵路、太陽能、風(fēng)能等應(yīng)用。水原德健表示，太陽能和風(fēng)能功率產(chǎn)品的最大區(qū)別在于太陽能通常有1200V就可以了，而風(fēng)能必須要1700V，甚至3300V。家用車一般為650V，大巴需要1200V，高鐵則可能需要1700V或3300V以上。為了滿足上述應(yīng)用需求，ROHM會(huì)持續(xù)開發(fā)更高電壓的產(chǎn)品，以及各種大電流模塊產(chǎn)品。

SiC MOSFET未來有哪些發(fā)展趨勢(shì)?水原德健表示，使門極耐破壞性做得更好，會(huì)是ROHM今后繼續(xù)努力的方向。同時(shí)，當(dāng)多個(gè)溝槽排列在一起，將每個(gè)溝槽間做得更為精細(xì)化，能夠降低芯片尺寸;或是在同樣芯片尺寸的情況下，降低導(dǎo)通電阻，都會(huì)是未來的發(fā)展方向。

SiC市場(chǎng)何時(shí)爆發(fā)?

SiC產(chǎn)品真正大量走入應(yīng)用市場(chǎng)也就是最近四五年左右，目前市面上主要有三種產(chǎn)品：肖特基二極管、SiC MOSFET以及SiC模塊，這三種產(chǎn)品分別希望取代硅制的FRD、IGBT以及IGBT模塊。而現(xiàn)在推出的第三代SiC MOSFET，650V產(chǎn)品可能對(duì)硅制的MOSFET也會(huì)有一些替代。那么，這些產(chǎn)品已經(jīng)對(duì)硅產(chǎn)品形成沖擊了嗎?

水原德健表示，產(chǎn)品被市場(chǎng)所接受，價(jià)格和性能是最主要的考慮因素。SiC的性能毋庸置疑，但成本還是比硅產(chǎn)品高，在相同特性、相同電壓、相同使用條件的情況下，大約會(huì)比硅產(chǎn)品貴5、6倍左右。因此現(xiàn)階段只能從要求高性能、且對(duì)價(jià)格不是很敏感的應(yīng)用開始來取代硅產(chǎn)品，例如汽車、汽車充電樁、太陽能等。

根據(jù)調(diào)查公司的數(shù)據(jù)，2014年SiC的市場(chǎng)總量大約達(dá)到1.2億美元，而硅產(chǎn)品(包括power device、IGBT等)已經(jīng)達(dá)到了100億美元的市場(chǎng)規(guī)模，僅僅占據(jù)其百分之一的份額。如果真的寄望于取代硅制產(chǎn)品，SiC還是有很大的發(fā)展空間的。那么，這一市場(chǎng)何時(shí)才能真正爆發(fā)?水原德健表示，當(dāng)SiC的成本能降到硅的2-3倍的時(shí)候，應(yīng)該會(huì)形成很大的市場(chǎng)規(guī)模。到2020年以后，EV汽車大規(guī)模推出的時(shí)候，市場(chǎng)會(huì)有爆發(fā)式的增長(zhǎng)。。

SiC也有“摩爾定律”嗎?

硅產(chǎn)品遵循摩爾定律，當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18-24個(gè)月翻一倍以上。這一定律明確揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度，以及成本下降的進(jìn)度。那么，SiC有這么一說嗎?

水原德健以SiC肖特基二極管為例間接回答了這一問題。他表示，2010年開始，SiC肖特基二極管開始大量應(yīng)用，到去年為止，大約用了四五年的時(shí)間，相同特性的產(chǎn)品價(jià)格基本下降了一半。至于從現(xiàn)在開始，再下降一半的成本需要多久?目前還沒有很準(zhǔn)確的期限。如果有新的生產(chǎn)技術(shù)問世，可能價(jià)格會(huì)下降得更快。但以現(xiàn)在的情況來看，會(huì)比五年更久一些。

SiC之“硬”——長(zhǎng)處也是短板

古語有云，成也蕭何敗也蕭何。SiC的硬度也有些這樣的意味，高硬度是它最大的優(yōu)勢(shì)，而制約它進(jìn)一步發(fā)展的恰恰也是硬度。

SiC由于硬度較大，給工藝制造帶來了很大的難度，因?yàn)檫^硬，生成的時(shí)候缺陷會(huì)較多，導(dǎo)致了利用率較低，生產(chǎn)速度較慢，這對(duì)其降低成本、快速形成市場(chǎng)規(guī)模都帶來了很大的障礙。水原德健表示，解決“過硬”是一個(gè)課題，需要通過各種各樣的技術(shù)手段來解決，現(xiàn)在正在一點(diǎn)點(diǎn)的摸索中。他認(rèn)為，任何技術(shù)的發(fā)展都是這樣，現(xiàn)在普遍應(yīng)用的硅材料在最初開始應(yīng)用時(shí)也面臨類似的問題，電子行業(yè)最初使用真空管，硅產(chǎn)品也花了很長(zhǎng)的時(shí)間才被市場(chǎng)接受。

SiC也會(huì)是這樣的發(fā)展路線，當(dāng)工藝本身不是問題的時(shí)候，會(huì)有越來越多的廠商加入這一陣營(yíng)，那時(shí)SiC產(chǎn)品將會(huì)成為市場(chǎng)的主流。以上就是功率器件的一些相關(guān)知識(shí)，功率器件不斷發(fā)展，這就需要我們的科研人員的不斷努力，推動(dòng)技術(shù)不斷發(fā)展，讓我們的電子產(chǎn)品更加高效。