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雙溝槽SiC MOSFET大幅降低導通電阻

上網時間: 2015年09月03日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:溝槽式  SiC  MOSFET  導通電阻  BSM180D12P3C007 

為了實現高效率的電力輸送與利用,羅姆半導體(ROHM)成功研發並量產採用雙溝槽(Trench)結構的碳化矽(SiC) MOSFET,較同一晶片尺寸的平面型SiC MOSFET減少50%的導通電阻與35%的輸入電容,大幅降低太陽能功率調節器以及切換電源與變流器等工業設備的功耗損耗,並進一步為其實現低功耗與小型化。

相較於傳統矽(Si)製程的功率半導體元件,SiC材料具有高擊穿電場強度、寬能隙與高熱傳導率的特點,能夠有效減少「電力轉換過程」的損耗,因而備受矚目。根據市調公司Yole的統計,2014年全球SiC市場需求約為1.12億美元,預計在2020年將成長至少3倍達到3.62億美元。2014年太陽能功率調節器(41%)與PFC電源(38%)約佔80%的市場,未來還將擴展到車載(EV/HEV)充電器與動力傳動系統、切換電源以及重型電機與工業設備等需要高效率、大功率與高頻作業的應用。

SiC目前在功率半導體市場約佔20%,為了進一步擴展其應用市場,ROHM功率元件製造部部長伊野和英(Kazuhide Ino)指出,業界主要的半導體業者從幾年前起陸續投入溝槽結構的SiC MOSFET開發,期望打造導通損耗更低、開關性能更好的SiC元件。然而,「其挑戰在於向下延伸溝槽時容易使電場集中在閘極邊側與底部,當電場強度過大時可能擊穿超薄氧化層,從而影響元件的可靠性。」

繼2011年12月首先開發出突破導通電阻1mΩ/cm2壁壘的超低損耗溝槽SiC MOSFET,ROHM持續尋求解決閘極溝槽電場的問題。透過採用獨創的雙溝槽結構,除了在閘極向下延伸溝槽,另一方面也在源極採用溝槽結構,成功突破了閘極溝槽底部電場集中的挑戰,從而確保採用溝槽結構的SiC MOSFET實現長期可靠性以及元件量產。


相較於一般的單溝槽結構,ROHM採用閘極與源極的雙溝槽結構,有效緩和底部電場集中的問題,從而確保元件的長期可靠性以及導入量產
(來源:ROHM)

ROHM應用技術支援部課長蘇建榮介紹,採用這種雙溝槽結構開發的ROHM第三代產品BSM180D12P3C007,是結合SiC-SBD、SiC溝槽MOSFET二合一電路的全SiC功率模組,可實現1200V的額定電壓、180A額定電流以及低至10mΩ的導通電阻,較該公司量產中的第二代120A產品電流更大以及較內建蕭特基二極體(SBD)的180A產品導通電阻更低。

蘇建榮表示,全新的BSM180D12P3C007全SiC模組特點在於大幅降低損耗——與相同額定電流的IGBT模組相比,開關損耗降低約77%;而與平面型全SiC模組(以ROHM第二代平面MOSFET為例)相比,其開關損耗也降低約42%。該新系列模組除了持續用於平面SiC的各種應用,更著重於特殊電源、高頻電源、連接器與工業雷射切割等設備應用領域。



以同一晶片尺寸比較,SiC MOSFET閘極採用往下延伸的溝槽結構可提高cell密度,實現較平面結構(a)導通損耗更低50%且(b)開關損耗降低約77%的元件
(來源:ROHM)

ROHM表示,首款採用溝槽結構SiC-MOSFET的全SiC功率模組BSM180D12P3C007已經開始量產,預計將在今年第四季正式發佈,初期將推出1200V/40mΩ以及650V/30mΩ的元件。此外,ROHM也將在年底推出更低導通電阻的接面阻障蕭特基(JBS)二極體與SBD元件。

伊野和英強調,溝槽結構的SiC-MOSFET是近來在MOSFET的一項重要技術開發趨勢。儘管業界多年來持續開發這種溝槽結構的SiC MOSFET,但ROHM最先使其實現量產,他預期其他廠商在經過不斷投入後,不久將會看到更多這一結構的產品出現。

在下世代的功率元件開發道路上,ROHM也持續投入更高功率與更高頻的氮化鎵(GaN)研究,不過,伊野和英表示,「相較於其他公司採用500V產品進行開發,ROHM則更著重於100V的產品研發,以期有效發揮GaN超高速優勢。」(Susan Hong)





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