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功率半導(dǎo)體嶄露頭角:MOSFET普及將從溝道型產(chǎn)品開始
發(fā)布時(shí)間:2012-08-27 責(zé)任編輯:echotang
導(dǎo)言:目前,功率半導(dǎo)體材料正迎來材料更新?lián)Q代,這些新材料就是SiC和GaN,二者的物理特性均優(yōu)于現(xiàn)在使用的Si,作為“節(jié)能王牌”受到了電力公司、汽車廠商和電子廠商等的極大期待。將Si換成GaN或SiC等化合物半導(dǎo)體,可大幅提高產(chǎn)品效率并縮小尺寸,這是Si功率半導(dǎo)體元件無法實(shí)現(xiàn)的。
“功率半導(dǎo)體”多被用于轉(zhuǎn)換器及逆變器等電力轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電力控制。目前,功率半導(dǎo)體材料正迎來材料更新?lián)Q代,這些新材料就是SiC(碳化硅)和GaN(氮化鎵),二者的物理特性均優(yōu)于現(xiàn)在使用的Si(硅),作為“節(jié)能王牌”受到了電力公司、汽車廠商和電子廠商等的極大期待。將Si換成GaN或SiC等化合物半導(dǎo)體,可大幅提高產(chǎn)品效率并縮小尺寸,這是Si功率半導(dǎo)體元件(以下簡(jiǎn)稱功率元件)無法實(shí)現(xiàn)的。
目前,很多領(lǐng)域都將Si二極管、MOSFET及IGBT(絕緣柵雙極晶體管)等晶體管用作功率元件,比如供電系統(tǒng)、電力機(jī)車、混合動(dòng)力汽車、工廠內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備、光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)器、空調(diào)等白色家電、服務(wù)器及個(gè)人電腦等。這些領(lǐng)域利用的功率元件的材料也許不久就將被GaN和SiC所替代。
例如,SiC已開始用于鐵路車輛用馬達(dá)的逆變器裝置以及空調(diào)等。
電能損失可降低50%以上
利用以GaN和SiC為材料的功率元件之所以能降低電能損失,是因?yàn)榭梢越档蛯?dǎo)通時(shí)的損失和開關(guān)損失。比如,逆變器采用二極管和晶體管作為功率元件,僅將二極管材料由Si換成SiC,逆變器的電能損失就可以降低15~30%左右,如果晶體管材料也換成SiC,則電能損失可降低一半以上。
有助于產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)小型化
電能損失降低,發(fā)熱量就會(huì)相應(yīng)減少,因此可實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換器的小型化。利用GaN和SiC制作的功率元件具備兩個(gè)能使電力轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)小型化的特性:可進(jìn)行高速開關(guān)動(dòng)作和耐熱性較高。
GaN和SiC功率元件能以Si功率元件數(shù)倍的速度進(jìn)行開關(guān)。開關(guān)頻率越高,電感器等構(gòu)成電力轉(zhuǎn)換器的部件就越容易實(shí)現(xiàn)小型化。
耐熱性方面,Si功率元件在200℃就達(dá)到了極限,而GaN和SiC功率元件均能在溫度更高的環(huán)境下工作,這樣就可以縮小或者省去電力轉(zhuǎn)換器的冷卻機(jī)構(gòu)。
這些優(yōu)點(diǎn)源于GaN和SiC具備的物理特性。與Si相比,二者均具備擊穿電壓高、帶隙寬、導(dǎo)熱率高、電子飽和速率高、載流子遷移率高等特點(diǎn)。
下一頁:SiC制MOSFET的普及將從溝道型產(chǎn)品開始
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SiC制MOSFET的普及將從溝道型產(chǎn)品開始
功率元件用SiC晶體管雖已開始投產(chǎn),但普及程度還不如二極管,還停留在極少數(shù)的特殊用途。這是由于SiC晶體管的制造工藝比二極管復(fù)雜,成品率低,因而價(jià)格高。并且,雖然速度在減緩,但Si晶體管的性能卻一直仍在提高。與二極管相比,“還有很大的發(fā)展空間”(技術(shù)人員)。就是說,目前可以方便地使用低價(jià)位高性能的Si晶體管。
因此,在不斷降低SiC晶體管成本的同時(shí),發(fā)揮SiC的出色材料特性,追求Si無法實(shí)現(xiàn)的性能,此類研發(fā)正在加速推進(jìn)。
SiC晶體管主要有MOSFET、JFET以及BJT三種。其中,最先投產(chǎn)的是JFET。
JFET雖然可以降低功率損失,但基本上處于“常開(Normally On)工作”狀態(tài),即使不加載柵極電壓也會(huì)工作。一般情況下,在大功率的電源電路上,多希望實(shí)現(xiàn)不加載柵極電壓就不會(huì)驅(qū)動(dòng)的“常閉工作”。JFET也有可以實(shí)現(xiàn)常閉工作的產(chǎn)品。然而,MOSFET因在原理上易于實(shí)現(xiàn)常閉工作,因此很多企業(yè)都在致力于研發(fā)MOSFET。
科銳(Cree)和羅姆已經(jīng)投產(chǎn)了MOSFET。但還稱不上是廣泛普及。原因除了價(jià)格高外,還沒有完全發(fā)揮出SiC的出色材料特性。其中導(dǎo)通時(shí)的損失大,為減少導(dǎo)通損失而降低導(dǎo)通電阻的研發(fā)正在進(jìn)行。
降低導(dǎo)通電阻的方法是采用在柵極正下方開掘溝道。目前已經(jīng)投產(chǎn)的SiC制MOSFET都是“平面型”。平面型在為了降低溝道電阻而對(duì)單元進(jìn)行微細(xì)化時(shí),JFET電阻會(huì)增大,導(dǎo)通電阻的降低存在局限性。而溝道型在構(gòu)造上不存在JFET電阻。因此,適于降低溝道電阻、減小導(dǎo)通電阻。
雖然溝道型可以降低導(dǎo)通電阻,但由于要在柵極正下方挖掘溝道,因此量產(chǎn)程度難于平面型。所以尚未投產(chǎn)。最早估計(jì)2013年羅姆等的產(chǎn)品將面世。
下一頁:GaN類功率元件可通過使用硅基板降低成本
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GaN類功率元件可通過使用硅基板降低成本
GaN在LED及半導(dǎo)體激光器等發(fā)光元件及基站用高頻元件用途上實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化,而功率元件用途的產(chǎn)品化才剛剛開始,落后于SiC。但這種情況也在變化。那就是制造成本的降低和電氣特性的快速提高。
GaN類功率元件之所以能夠降低成本,是因?yàn)榭衫脙r(jià)格低而口徑大的硅基板。采用硅基板,可以使用6英寸以上的大口徑產(chǎn)品。比如,美國EPC公司及美國IR就使用硅基板,通過形成外延層而推出了GaN類功率元件產(chǎn)品。
對(duì)運(yùn)行時(shí)導(dǎo)通電阻會(huì)上升的“電流崩塌”現(xiàn)象的抑制、耐壓等電氣特性的提高也在取得進(jìn)展。以耐壓為例,盡管產(chǎn)品一般低于200V,但也有超過了1kV的研發(fā)品。
目前,投產(chǎn)GaN類功率元件的企業(yè)還很少,但預(yù)計(jì)從2012年會(huì)開始逐漸增加。而且,2015年前后,結(jié)晶缺陷減少至可用于功率元件用途的水平、口徑高達(dá)6英寸的GaN基板很可能會(huì)面世。如果在GaN基板上形成GaN類功率元件,便可比使用硅基板等不同種材料的功率元件更易提高電氣特性。
GaN和SiC將區(qū)分使用
2015年,市場(chǎng)上或許就可以穩(wěn)定采購到功率元件用6英寸SiC基板。并且,屆時(shí)GaN類功率元件除了硅基板之外,還有望使用GaN基板。也就是說,2015年前后,SiC制功率元件與GaN類功率元件就均可輕松制造了。
在對(duì)大幅減少電力轉(zhuǎn)換器中的電力損失以及縮小電力轉(zhuǎn)換器尺寸有強(qiáng)烈要求的用途方面,估計(jì)會(huì)采用SiC及GaN。兩種元件最初將根據(jù)使用終端的電力容量及開關(guān)頻率區(qū)分使用。
GaN將主要用于中低容量用途,SiC將主要用于大容量用途。而且,由于GaN制功率元件更適合高速開關(guān)動(dòng)作,因此要求更高開關(guān)頻率的用途估計(jì)會(huì)采用GaN。
“功率半導(dǎo)體”多被用于轉(zhuǎn)換器及逆變器等電力轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電力控制。目前,功率半導(dǎo)體材料正迎來材料更新?lián)Q代,這些新材料就是SiC(碳化硅)和GaN(氮化鎵),二者的物理特性均優(yōu)于現(xiàn)在使用的Si(硅),作為“節(jié)能王牌”受到了電力公司、汽車廠商和電子廠商等的極大期待。將Si換成GaN或SiC等化合物半導(dǎo)體,可大幅提高產(chǎn)品效率并縮小尺寸,這是Si功率半導(dǎo)體元件(以下簡(jiǎn)稱功率元件)無法實(shí)現(xiàn)的。
目前,很多領(lǐng)域都將Si二極管、MOSFET及IGBT(絕緣柵雙極晶體管)等晶體管用作功率元件,比如供電系統(tǒng)、電力機(jī)車、混合動(dòng)力汽車、工廠內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備、光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)器、空調(diào)等白色家電、服務(wù)器及個(gè)人電腦等。這些領(lǐng)域利用的功率元件的材料也許不久就將被GaN和SiC所替代。
例如,SiC已開始用于鐵路車輛用馬達(dá)的逆變器裝置以及空調(diào)等。
電能損失可降低50%以上
利用以GaN和SiC為材料的功率元件之所以能降低電能損失,是因?yàn)榭梢越档蛯?dǎo)通時(shí)的損失和開關(guān)損失。比如,逆變器采用二極管和晶體管作為功率元件,僅將二極管材料由Si換成SiC,逆變器的電能損失就可以降低15~30%左右,如果晶體管材料也換成SiC,則電能損失可降低一半以上。
有助于產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)小型化
電能損失降低,發(fā)熱量就會(huì)相應(yīng)減少,因此可實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換器的小型化。利用GaN和SiC制作的功率元件具備兩個(gè)能使電力轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)小型化的特性:可進(jìn)行高速開關(guān)動(dòng)作和耐熱性較高。
GaN和SiC功率元件能以Si功率元件數(shù)倍的速度進(jìn)行開關(guān)。開關(guān)頻率越高,電感器等構(gòu)成電力轉(zhuǎn)換器的部件就越容易實(shí)現(xiàn)小型化。
耐熱性方面,Si功率元件在200℃就達(dá)到了極限,而GaN和SiC功率元件均能在溫度更高的環(huán)境下工作,這樣就可以縮小或者省去電力轉(zhuǎn)換器的冷卻機(jī)構(gòu)。
這些優(yōu)點(diǎn)源于GaN和SiC具備的物理特性。與Si相比,二者均具備擊穿電壓高、帶隙寬、導(dǎo)熱率高、電子飽和速率高、載流子遷移率高等特點(diǎn)。
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SiC制MOSFET的普及將從溝道型產(chǎn)品開始
功率元件用SiC晶體管雖已開始投產(chǎn),但普及程度還不如二極管,還停留在極少數(shù)的特殊用途。這是由于SiC晶體管的制造工藝比二極管復(fù)雜,成品率低,因而價(jià)格高。并且,雖然速度在減緩,但Si晶體管的性能卻一直仍在提高。與二極管相比,“還有很大的發(fā)展空間”(技術(shù)人員)。就是說,目前可以方便地使用低價(jià)位高性能的Si晶體管。
因此,在不斷降低SiC晶體管成本的同時(shí),發(fā)揮SiC的出色材料特性,追求Si無法實(shí)現(xiàn)的性能,此類研發(fā)正在加速推進(jìn)。
SiC晶體管主要有MOSFET、JFET以及BJT三種。其中,最先投產(chǎn)的是JFET。
JFET雖然可以降低功率損失,但基本上處于“常開(Normally On)工作”狀態(tài),即使不加載柵極電壓也會(huì)工作。一般情況下,在大功率的電源電路上,多希望實(shí)現(xiàn)不加載柵極電壓就不會(huì)驅(qū)動(dòng)的“常閉工作”。JFET也有可以實(shí)現(xiàn)常閉工作的產(chǎn)品。然而,MOSFET因在原理上易于實(shí)現(xiàn)常閉工作,因此很多企業(yè)都在致力于研發(fā)MOSFET。
科銳(Cree)和羅姆已經(jīng)投產(chǎn)了MOSFET。但還稱不上是廣泛普及。原因除了價(jià)格高外,還沒有完全發(fā)揮出SiC的出色材料特性。其中導(dǎo)通時(shí)的損失大,為減少導(dǎo)通損失而降低導(dǎo)通電阻的研發(fā)正在進(jìn)行。
降低導(dǎo)通電阻的方法是采用在柵極正下方開掘溝道。目前已經(jīng)投產(chǎn)的SiC制MOSFET都是“平面型”。平面型在為了降低溝道電阻而對(duì)單元進(jìn)行微細(xì)化時(shí),JFET電阻會(huì)增大,導(dǎo)通電阻的降低存在局限性。而溝道型在構(gòu)造上不存在JFET電阻。因此,適于降低溝道電阻、減小導(dǎo)通電阻。
雖然溝道型可以降低導(dǎo)通電阻,但由于要在柵極正下方挖掘溝道,因此量產(chǎn)程度難于平面型。所以尚未投產(chǎn)。最早估計(jì)2013年羅姆等的產(chǎn)品將面世。
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GaN類功率元件可通過使用硅基板降低成本
GaN在LED及半導(dǎo)體激光器等發(fā)光元件及基站用高頻元件用途上實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化,而功率元件用途的產(chǎn)品化才剛剛開始,落后于SiC。但這種情況也在變化。那就是制造成本的降低和電氣特性的快速提高。
GaN類功率元件之所以能夠降低成本,是因?yàn)榭衫脙r(jià)格低而口徑大的硅基板。采用硅基板,可以使用6英寸以上的大口徑產(chǎn)品。比如,美國EPC公司及美國IR就使用硅基板,通過形成外延層而推出了GaN類功率元件產(chǎn)品。
對(duì)運(yùn)行時(shí)導(dǎo)通電阻會(huì)上升的“電流崩塌”現(xiàn)象的抑制、耐壓等電氣特性的提高也在取得進(jìn)展。以耐壓為例,盡管產(chǎn)品一般低于200V,但也有超過了1kV的研發(fā)品。
目前,投產(chǎn)GaN類功率元件的企業(yè)還很少,但預(yù)計(jì)從2012年會(huì)開始逐漸增加。而且,2015年前后,結(jié)晶缺陷減少至可用于功率元件用途的水平、口徑高達(dá)6英寸的GaN基板很可能會(huì)面世。如果在GaN基板上形成GaN類功率元件,便可比使用硅基板等不同種材料的功率元件更易提高電氣特性。
GaN和SiC將區(qū)分使用
2015年,市場(chǎng)上或許就可以穩(wěn)定采購到功率元件用6英寸SiC基板。并且,屆時(shí)GaN類功率元件除了硅基板之外,還有望使用GaN基板。也就是說,2015年前后,SiC制功率元件與GaN類功率元件就均可輕松制造了。
在對(duì)大幅減少電力轉(zhuǎn)換器中的電力損失以及縮小電力轉(zhuǎn)換器尺寸有強(qiáng)烈要求的用途方面,估計(jì)會(huì)采用SiC及GaN。兩種元件最初將根據(jù)使用終端的電力容量及開關(guān)頻率區(qū)分使用。
GaN將主要用于中低容量用途,SiC將主要用于大容量用途。而且,由于GaN制功率元件更適合高速開關(guān)動(dòng)作,因此要求更高開關(guān)頻率的用途估計(jì)會(huì)采用GaN。
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