ROHM罗姆SiC功率器件技术解析

　　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。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。

　　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%。