减少功率转换损耗的SiC功率器件

在现代能源基础设施中，电力电子技术仍以过去几十年的陈旧技术为基础。随着社会的不断进步，技术的不断发展，科技产品也日新月异，产品都需要功率器件，好的功率器件需要更好的设计者来设计，功率器件对电子产品是功不可没的。硅材料在很多方面已经接近其理论性能极限，因此业界在不断寻找新的半导体元器件材料，以期从根本上提升转化和利用电力的效率。

SiC功率器件作为可显著减少功率转换损耗的关键器件而得到业界的广泛关注，其供应商以美国Cree、日本ROHM等公司为典型代表。2010年，ROHM率先宣布量产SiC MOSFET产品，开始了这一产品的市场化进程。近年来，ROHM不断推进SiC领域的创新研究，在进一步降低功率损耗方面寻求不断突破。

某功率模块

SiC功率器件有什么优势?

ROHM半导体(深圳)有限公司分立元器件部高级经理水原德健从基本原理出发，阐述了功率元器件的特性、SiC的优势以及未来的发展趋势。据其介绍，功率元器件的损耗包括导通损耗和开关损耗。从下图可见，导通损耗是电流流经元器件时(ON状态)，因元器件的电阻成分而产生的损耗，芯片面积越大，导通损耗越小;而开关损耗则是指将元器件的通电状态进行ON→OFF、OFF→ON切换时，每次开关动作产生的损耗。在生产功率元器件时，如何将损耗降到最低，对于提升产品的效率有至关重要的意义。

对于SiC在功率器件中的优势，水原德健表示，主要在于SiC可以有效降低功率转换时的损耗，它有三个最重要的特性：高压特性、高频特性、高温特性，正因为这三个特性，它才可以实现比Si更低的导通电阻、以更高的频率高速工作，并且可以经受更高的温度，从而可实现模块和周边元器件的小型化，以及冷却机构的简化。水原德健强调，与其他SiC厂商相比，ROHM的最大优势在于是一条龙的生产体制，2009时ROHM收购了SiCrystal公司，它是一家专门做SiC材料的德国公司，有了它提供材料，ROHM会在德国完成晶圆，然后在日本的福冈、京都做芯片的封装和SiC模组，据介绍，ROHM是全球唯一一家可以实现一条龙生产的SiC生产厂商。

SiC MOSFET从平面到沟槽，有多少路要走?

ROHM于2002年开始SiC的基础实验，并于2008年推出了全球首个导通电阻1.7 mΩ?cm2的SiC MOSFET;2011年，ROHM打破导通电阻1mΩ?cm2壁垒，推出超低损耗SiC MOSFET;近来，ROHM又宣布其第三代SiC MOSFET产品——Trench MOSFET(沟槽型MOSFET)，并建立起了完备的量产体系。

那么，较前两代产品，沟槽型MOSFET有哪些不同?又有哪些主要特点?水原德健介绍，上一代产品是平面MOSFET，沟槽型MOSFET最大的不同在于它的门极部分为沟槽结构，可提高cell密度，从而打造导通损耗更低、开关性能更好的元器件。

他补充，沟槽型SiC MOSFET有一些尚存的技术难题，最大的挑战在于门极部分有很薄的氧化膜，当有大电流流过时，很容易将其破坏。一旦氧化膜遭到破坏，整个产品就失效了。因此解决问题的关键在于如何提升门极的强度。ROHM在设计新构造时，通过源级、栅极的双沟槽结构，从而分散了大电流在门极的聚集。即瞬间电场从源极流走的越多，门极耐破坏性就越强。

与已经量产中的平面型SiC MOSFET相比，导通电阻可降低约50%，同时还提高了开关性能(输入电容降低约35%)。这将大幅降低太阳能发电用功率调节器和工业设备用电源、工业用逆变器等所有相关设备的功率损耗，对于太阳能发电用功率调节器和工业设备用电源等所有设备的节能化、小型化、轻量化起着关键性的作用。

不仅如此，ROHM还开发出采用此次开发的沟槽结构SiC MOSFET的“全SiC”功率模块。该产品内部电路为2in1结构，采用SiC MOSFET及SiC SBD，额定电压1200V，额定电流180A。与同等水平额定电流的Si IGBT模块产品相比，其显著优势自不必言说，即使与使用平面型SiC MOSFET的“全SiC”模块相比，其开关损耗也降低了约42%。

SiC MOSFET发展趋势

据介绍，ROHM的第二代SiC MOSFET正在量产中，主要是1200V和650V的产品。1200V的产品，最小可以做到45mΩ，650V的主要以120 mΩ为主。而第三代产品，主要还是以1200V的40mΩ、650V的30 mΩ为主，未来会做到22 mΩ和17 mΩ。自今年10月份开始，ROHM会逐步开始这些产品的量产。未来，ROHM还将继续开发118A(650V)、95A(1200V)的分立产品。

ROHM现在的MOSFET产品电压为650V和1200V，今后还会推出1700V甚至更高电压的产品，主要针对铁路、太阳能、风能等应用。水原德健表示，太阳能和风能功率产品的最大区别在于太阳能通常有1200V就可以了，而风能必须要1700V，甚至3300V。家用车一般为650V，大巴需要1200V，高铁则可能需要1700V或3300V以上。为了满足上述应用需求，ROHM会持续开发更高电压的产品，以及各种大电流模块产品。

SiC MOSFET未来有哪些发展趋势?水原德健表示，使门极耐破坏性做得更好，会是ROHM今后继续努力的方向。同时，当多个沟槽排列在一起，将每个沟槽间做得更为精细化，能够降低芯片尺寸;或是在同样芯片尺寸的情况下，降低导通电阻，都会是未来的发展方向。

SiC市场何时爆发?

SiC产品真正大量走入应用市场也就是最近四五年左右，目前市面上主要有三种产品：肖特基二极管、SiC MOSFET以及SiC模块，这三种产品分别希望取代硅制的FRD、IGBT以及IGBT模块。而现在推出的第三代SiC MOSFET，650V产品可能对硅制的MOSFET也会有一些替代。那么，这些产品已经对硅产品形成冲击了吗?

水原德健表示，产品被市场所接受，价格和性能是最主要的考虑因素。SiC的性能毋庸置疑，但成本还是比硅产品高，在相同特性、相同电压、相同使用条件的情况下，大约会比硅产品贵5、6倍左右。因此现阶段只能从要求高性能、且对价格不是很敏感的应用开始来取代硅产品，例如汽车、汽车充电桩、太阳能等。

根据调查公司的数据，2014年SiC的市场总量大约达到1.2亿美元，而硅产品(包括power device、IGBT等)已经达到了100亿美元的市场规模，仅仅占据其百分之一的份额。如果真的寄望于取代硅制产品，SiC还是有很大的发展空间的。那么，这一市场何时才能真正爆发?水原德健表示，当SiC的成本能降到硅的2-3倍的时候，应该会形成很大的市场规模。到2020年以后，EV汽车大规模推出的时候，市场会有爆发式的增长。。

SiC也有“摩尔定律”吗?

硅产品遵循摩尔定律，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。这一定律明确揭示了信息技术进步的速度，以及成本下降的进度。那么，SiC有这么一说吗?

水原德健以SiC肖特基二极管为例间接回答了这一问题。他表示，2010年开始，SiC肖特基二极管开始大量应用，到去年为止，大约用了四五年的时间，相同特性的产品价格基本下降了一半。至于从现在开始，再下降一半的成本需要多久?目前还没有很准确的期限。如果有新的生产技术问世，可能价格会下降得更快。但以现在的情况来看，会比五年更久一些。

SiC之“硬”——长处也是短板

古语有云，成也萧何败也萧何。SiC的硬度也有些这样的意味，高硬度是它最大的优势，而制约它进一步发展的恰恰也是硬度。

SiC由于硬度较大，给工艺制造带来了很大的难度，因为过硬，生成的时候缺陷会较多，导致了利用率较低，生产速度较慢，这对其降低成本、快速形成市场规模都带来了很大的障碍。水原德健表示，解决“过硬”是一个课题，需要通过各种各样的技术手段来解决，现在正在一点点的摸索中。他认为，任何技术的发展都是这样，现在普遍应用的硅材料在最初开始应用时也面临类似的问题，电子行业最初使用真空管，硅产品也花了很长的时间才被市场接受。

SiC也会是这样的发展路线，当工艺本身不是问题的时候，会有越来越多的厂商加入这一阵营，那时SiC产品将会成为市场的主流。以上就是功率器件的一些相关知识，功率器件不断发展，这就需要我们的科研人员的不断努力，推动技术不断发展，让我们的电子产品更加高效。