羅姆在新一代功率元器件領域的飛躍發展與前沿探索

　　作為替換硅材質器件，搭載SiC-MOSFET和SiC-SBD的模塊，可實現100kHz以上的高頻驅動。可大幅降低IGBT注5尾電流和FRD注6恢復電流引起的開關損耗。因此，通過模塊的冷卻結構簡化(散熱片的小型化，水冷卻、強制空氣冷卻的自然空氣冷卻)和工作頻率高頻化，可實現電抗器和電容等的小型化。

　　另外，由于開關損耗低，所以適于20kHz及更高開關頻率的驅動，在此情況下，也可以用額定電流120A的SiC模塊替換額定電流200-400A的IGBT模塊。

　　今后：羅姆將全面推動SiC元器件的普及

　　相對于已經具有大量采用實績的SiC-SBD而言，SiC-MOSFET和全SiC功率模塊的真正采用現在才開始。相對以往硅材質器件的性能差別和成本差別的平衡將成為SiC器件真正普及的關鍵。羅姆在兩個方面進行著技術開發：①基于SiC電路板大口徑化，降低SiC器件成本 ②相對硅材質器件，開發在性能上具有絕對優勢的新一代SiC器件。今后，羅姆將通過擴大普及SiC器件 ，助力于全球范圍內實現節能和減少CO2的排放。

　　第二章 羅姆在“GaN”功率元器件領域的前沿探索

　　GaN功率元器件是指電流流通路徑為GaN的元器件。“GaN”曾被作為發光材料進行過研究，現在仍然作為已普及的發光二極管(LED)照明的核心部件藍色LED用材料廣為使用。同時，還有一種稱為“WBG”的材料，與發光元件應用幾乎同一時期開始研究在功率元器件上的應用，現已作為高頻功率放大器進入實用階段。

　　GaN與Si和SiC元件的不同之處在于元件的基本“形狀”。圖1為使用GaN的電子元器件的一般構造。晶體管有源極、柵極、漏極3個電極，Si和SiC功率元器件稱為“縱向型”，一般結構是源極和柵極在同一面，漏極電極在基板側。GaN為源極、柵極、漏極所有電極都在同一面的“橫向型”結構。在以產業化為目的的研究中，幾乎都采用這種橫向型結構。

　　之所以采用橫向型結構，是因為希望將存在于AlGaN/GaN界面的二維電子氣(2DEG)作為電流路徑使用。GaN既是具有自發電介質極化(自發極化)的晶體，也是給晶體施加壓力即會重新產生壓電極化(極化失真)的壓電材料。AlGaN與GaN在自發極化存在差別，由于晶格常數不同，如果形成如圖1中的AlGaN/GaN異質結，為了匹配晶格常數，晶體畸變，還會發生極化失真。因這種無意中產生的電介質極化之差，如圖2所示，GaN的禁帶向AlGaN下方自然彎曲。因此，其彎曲部分產生2DEG。由于這種2DEG具有較高的電子遷移率(1500 cm2/Vs左右)，因此可進行非常快的開關動作。但是，其另外一面，相反，由于電子流動的路徑常時存在，因此成為柵極電壓即使為0V電流也會流過的稱為“常開型(normally-on)”的元件。　　

　　

 

　　正如之前所提及的，對WBG材料的最大期待是提高耐壓性能。由于SiC基本可以實現與Si相同的縱向型結構，因此發揮材料特性的耐壓性能得以提升。但是，GaN則情況不同。圖1所示的橫向型結構較難提升耐壓性能，這一點通過Si元件既已明了，只要GaN也采用圖1的結構，物理特性上本應實現的耐壓性能就很難發揮出來。但是，本來對WBG材料的期待就是耐壓特性，因此，發布的GaN元器件多為耐壓提升產品。但是，提升耐壓性能的方法基本上只能通過增加柵極/漏極間的距離，而這樣芯片就會增大，芯片增大就意味著成本上升。

　　只要采用圖1的結構，GaN功率元器件的特點不僅是耐壓性能，還有使用2DEG的高速電子遷移率而來的高頻動作性能。因而，GaN晶體管常被稱為GaN-HEMT注7。

　　“GaN”功率元器件的特性：確保高頻特性并實現高速動作

　　羅姆開發的“常開型(normally-on)”型元器件的特性見表2，是柵極寬度為9.6cm的元器件，命名為“HEMT”，可查到的其高頻特性的文獻非常少。起初羅姆以盡量確保高頻特性為目標進行了開發，結果表明，羅姆的“常開型(normally-on)”元器件的動態特性非常優異。表中的td(on)、tr、td(off)、tf等特性指標表示高速性能。由于是“常開型(normally-on)”元器件，因此柵極進入負電壓瞬間，元器件關斷，0V時元器件導通。符號表示方法是：柵極電壓信號關斷時(元器件開始向ON移行時)為t = 0，源極/漏極間電壓Vds減少到施加電壓的90%之前的時間為td(on)，從90%減少到10%的時間為tr，另外，柵極電壓信號導通時(元器件開始向OFF移行時)為t = 0，Vds增加到施加電壓的10%之間的時間為td(off)，從10%增加到90%的時間為tf。