功率器件扩展应用领域的宽带隙半导体发展

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1、TechnicalReviewVol.4功率器件扩展应用领域的宽带隙半导体发展宽带隙半导体包括碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），鉴于它们具有卓越的特性，即能提供更高的能量效率，所以目前人们都非常希望将其应用于下一代功率器件中。在改进碳化硅功率器件性能的关键技术研究中，东芝电子元件及存储装置株式会社始终致力于降低晶片厚度和单元器件的小型化，并且不断推出了各种各样的碳化硅功率器件。例如，将碳化硅混合模块应用于机车车辆的牵引变频器上，有助于减小此类变频器的尺寸和重量。我们还在开发能够执行高速开关操作的GaN功率器件，包括准常断

2、GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）和GaN金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。1.简介近几十年来，由于硅（Si）制造成的功率半导体性能的提高，功率器件实现了高效率。然而，硅功率器件正在接近其理论性能极限，所以我们寄希望于宽带隙半导体能够突破这些极限。2013年，东芝电子元件及存储装置株式会社开发出了由宽带隙半导体碳化硅（SiC）制成的肖特基二极管（SBD）。2014年，我们宣布推出一款SiC混合模块，该器件将硅注入增强栅极晶体管（IEGT）和SiCSBD集成组装在同一个封装中。开发出碳化硅混合模块并将其应用于电

3、气铁路的变频器，我们便提高了功率转换（1）效率并节省了空间。另一种很有前景的宽带隙半导体是“氮化镓（GaN）”，它在高速开关性能方面也很有优势，为寻找更为有效的解决方案和实现电源设备的小型化开辟了道路。本文中，我们将介绍这两种新型半导体材料的最新进展及其未来发展趋势。2.碳化硅器件适用领域的扩展不同于硅器件，碳化硅器件可以同时实现高击穿电压和低能耗。但是这种材料价格昂贵，加工难度大，且需要最大限度地减少晶体中的缺陷，这也构成了一个极大挑战，另外其制造方法与传统的硅制造方法有很大的不同。这些问题都妨碍了碳化硅的广泛应用。2.

4、1碳化硅分立器件产品近年来，单芯片封装的分立器件产品发展取得了令人瞩目的成就。随着晶片质量的提高和晶片直径的增Copyright©2018TOSHIBACORPORATION,AllRightsReserved.TechnicalReviewVol.4加，这些器件不仅被用于小型工业设备（例如：用于信息和通信设备的电源、电动车辆（EV）充电站、太阳能逆变器、商用空调），而且还用于高端消费类产品（例如：有机电致发光电视、视听放大器）。下面将介绍我公司基于SiC的分立SBD和MOSFET产品的功能特点。2.1.1SiCSBD分立

5、器件产品图1是我们当前产品的封装举例。这些产品的击穿电压为650V或1,200V，额定电流可选择范围是2A至24A。它们应用于交流电源的功率因数校正（PFC）电路。图2是采用SiCSBD的PFC电路，以及电路图和示例波形。在PFC电路中，D1（SiCSBD）的导通将由开关器件Q1进行控制。Q1的能量损耗受到D1特性的影响。当Q1导通时，短路电流根据总电荷QC进行流动，而总电荷QC则由D1的结电容Cj和反向电压VR确定。该短路电流增加了Q1的导通损耗，所以QC越小，导通损耗就越小。另一方面，D1的损耗也归因于QC充电/放电以

6、及正向电压VF的损耗。使用相同的设计规则，我们对QC和VF进行了平衡，因为效率性能指标（VF·QC）越小，效率越高，损耗越小。第一代SBD量产始于2013年，并于2017年过渡到了第二代SBD。第二代的设计结合采用了改进的肖特基结构与薄型晶片。PFC电路所需的效率性能指数降低到第一代的三分之二左右，使得器件具有较低的损耗并且浪涌电流容限IFSM比第一代高了1.7倍（表1）。（表1）：SiCSBD截面结构与性能的发展表贴类型插针式DPAKTO-220-2LTO-220F-2LTO-247TO-3P(N)第1代第2代代基础研究

7、1基础研究2（当前）（全新）SBDMPSJBS改进结构结构结构结构JBS结构晶片厚度1111／3（相对值）绝缘类型金属电极金属电极金属电极金属电极PPPPPP+PNNNN截面结构N+（图1）：SiC肖特基二极管（SBD）的封装举例N+N+N+泄漏电流IRSiCSBD结电容Cj短路电流改进：低JBS结构→低I结构R效率：热失控抑制D1效率特性Q1性能（VF・QC）改进：低效果：低损耗较薄晶片→低VF@任何电流导通正向电流电流浪涌电流IFSM改进：高D1的Cj短路电流效果：高容限改进JBS结构→低VF@高电流：非常好　　：好　

8、　：一般　　：差Q1导通电流D1正向电流MPS：采用PN肖特基　　N：N型半导体　　P：P型半导体D1的Cj短路电流（图2）：采用SiCSBD的功率因数校正（PFC）电路和电流波形Copyright©2018TOSHIBACORPORATION,AllRightsReserved.TechnicalRe