SiC功率半導(dǎo)體元件的“真命天子”，溝道MOSFET即將實(shí)用化

在2013年10月舉辦的“CEATEC JAPAN 2013”上，電裝展示了SiC的相關(guān)技術(shù)（圖1）。其中包括了兩大“驚喜”。一是電裝宣布SiC功率元件將在2015年實(shí)用化。在此之前，SiC功率元件的成果雖然頻繁出現(xiàn)在學(xué)會(huì)和展會(huì)等場合，但大家對(duì)于實(shí)用化的時(shí)間表都諱莫如深。

二是名為“溝道型”的新一代SiC MOSFET的實(shí)用化。作為功率半導(dǎo)體材料，SiC與一般的Si相比，能夠制造出損耗更低的功率元件。相關(guān)研發(fā)十分活躍，市面上已經(jīng)出現(xiàn)了SiC材料的二極管和晶體管等產(chǎn)品。

但過去投產(chǎn)的SiC MOSFET，是在元件表面設(shè)置柵極的“平面型”，在柵極部分挖溝的溝道型尚未投產(chǎn)。溝道型的導(dǎo)通電阻能夠縮小到平面型的幾分之一。因此能夠進(jìn)一步降低損耗。

降低導(dǎo)通電阻還有助于壓縮SiC MOSFET的成本。因?yàn)檫_(dá)到相同的載流量，溝道型的芯片面積要小于平面型。也就是說，1枚SiC基板可以制造出更多的芯片，從而壓縮成本。

圖1：電裝即將把溝道型SiC MOSFET投入實(shí)用

電裝在“CEATEC JAPAN 2013”上展出了該公司開發(fā)的溝道型SiC MOSFET。預(yù)定于2015年左右投入實(shí)用。除此之外，還展示了150mm（6英寸）口徑的SiC基板。

因?yàn)榫邆溥@些特點(diǎn)，溝道型如今成為了“發(fā)揮SiC優(yōu)勢(shì)的晶體管最佳選擇”（多位SiC功率元件技術(shù)人員）。

溝道型的研發(fā)速度加快

致力于研發(fā)溝道型SiC MOSFET的不只是電裝，許多半導(dǎo)體企業(yè)都已經(jīng)開始在大力研發(fā)。這一點(diǎn)在2013年9月29日～10月4日舉辦的SiC相關(guān)國際學(xué)會(huì)“ICSCRM2013”上可見一斑。在該學(xué)會(huì)上，有關(guān)溝道型SiC MOSFET最新成果的發(fā)表接連不斷（圖2）。其中，羅姆明確提到了投產(chǎn)時(shí)間。該公司表示將在2014年上半年，投產(chǎn)在柵極、源極上都設(shè)置溝槽的“雙溝道型”SiC MOSFET。

圖2：各公司全力開發(fā)溝道型SiC MOSFET

在SiC相關(guān)國際學(xué)會(huì)“ICSCRM 2013”上，溝道型SiC MOSFET研發(fā)成果的發(fā)表絡(luò)繹不絕。降低電容、提高生產(chǎn)效率都得到了實(shí)現(xiàn)。

會(huì)上還發(fā)表了提高溝道型SiC MOSFET性能，以及提高生產(chǎn)效率壓縮成本的研究成果。比方說，三菱電機(jī)成功降低了溝道型MOSFET的柵極-漏極之間的電容。電容越小，開關(guān)損失越低。MOSFET芯片一般會(huì)設(shè)置多個(gè)叫做“單元”的微小MOSFET構(gòu)造，該公司通過使其中的部分單元接地，降低了導(dǎo)致電容增加的偏壓。

住友電氣工業(yè)把目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)了提高溝道型MOSFET的生產(chǎn)效率。溝道型MOSFET在制造上面臨的課題是無法按照設(shè)想制造溝槽。為此，該公司準(zhǔn)備把溝槽的形狀改換為一般的溝道型，借此提高生產(chǎn)效率。

從元件的截面來看，一般溝道型的溝槽呈“凹字”形，但這一次，該公司將其改為了V字形。這種V字溝槽“容易通過熱化學(xué)蝕刻成型，與一般的溝道型相比，更容易提高成品率”（該公司研究人員）。

近10家公司提供6英寸產(chǎn)品

在ICSCRM 2013上，除了溝道型MOSFET的研究成果之外，關(guān)于150mm（6英寸）口徑基板的提案也接連不斷（圖3）。量產(chǎn)SiC功率元件使用的SiC基板目前以100mm（4英寸）口徑為主。隨著6英寸產(chǎn)品的普及，生產(chǎn)效率有望提高，從而降低SiC功率元件的成本。

圖3：SiC迎來150mm基板的東風(fēng)

各SiC基板企業(yè)在“ICSCRM 2013”上紛紛展出150mm（6英寸）口徑的SiC基板（a）。在SiC基板上層積外延層的外延服務(wù)也開始支持150mm。昭和電工已于2013年10月推出了這項(xiàng)服務(wù)（b）。

現(xiàn)在，已經(jīng)投產(chǎn)6英寸產(chǎn)品并開始供應(yīng)樣品的主要基板企業(yè)只有美國科銳、新日鐵住金等少數(shù)幾家公司。為了改變這種格局，美國道康寧、美國貳陸（II-VI）、德國Si-Crystal等歐美企業(yè)，以及中國SICC、韓國SKC等眾多基板企業(yè)都已經(jīng)宣布投產(chǎn)6英寸產(chǎn)品。匯總各公司的計(jì)劃來看，在2015年之前，供應(yīng)6英寸產(chǎn)品的企業(yè)將增加到近10家左右。除此之外，昭和電工還表明，在SiC基板上層積外延層的外延服務(wù)也將支持6英寸基板。隨著各公司把6英寸產(chǎn)品納入視野，基板企業(yè)之間的價(jià)格競爭將日趨激烈，功率元件企業(yè)將有望以更低的成本，采購到需要的基板。（記者：根津 禎，《日經(jīng)電子》）