SiC功率半导体技术开发竞争将在未来5到10年至关重要

SiC 功率器件是天赐之物

──SiC作为以降低功率损耗为目的的功率器件材料而备受关注。

SiC的研究和开发有着令人惊讶的悠久历史，它作为半导体器件的材料在过去曾多次引起人们的关注。 1950年左右形成了一小块晶体。从1960年到1970年，积极进行技术开发，利用半导体器件在高温下工作的能力来扩大其应用。 20世纪80年代，SiC作为蓝色发光二极管材料再次受到关注，并在日本和美国实际实现商业化。然而，由于竞争技术的竞争，这两次繁荣都消退了。

京都大学于 20 世纪 90 年代初开始研究 SiC 功率器件（图 1）。甚至在此之前，理论计算就表明 SiC 具有使其成为理想的功率器件材料的特性。通过利用 SiC 的物理特性，可以制造出比 Si（硅）具有更低通态（传导）损耗和开关损耗的高能效功率器件。此外，通过减少电力损耗，可以减少发热量，从而可以实现电力变换器的小型化。此外，低开关损耗可用于使功率转换器组件更加紧凑，并且在高温下工作的能力可用于使冷却机构更加紧凑或省略。

当京都大学开始研究时，很少有人研究使用 SiC 的功率器件，尽管他们意识到这些压倒性优势。这是因为它是一种很难加工的材料，以至于它的优点被掩盖了。

[图1]什么是碳化硅

魅力是压倒性的，但笨拙是破坏性的

──具体来说，您遇到了哪些困难？

此外，SiC 具有大约 200 种不同的晶体结构状态。大学教授没有比这更有趣的话题可以撰写科学论文了。然而，作为工业产品的材料，我从未发现过一种材料不能达到预期的效果。我不知道该元素使用 200 种材料中的哪一种以及如何使其 100% 纯净。应用于功率器件，更不用说实际使用，简直就是一个白日梦。

──在如此困难的情况下，你能够成功地将其投入实际使用。

即使对于那些研究 SiC 多年的人来说，近年来取得的快速进展也是引人注目的。德国英飞凌科技公司是第一个将 SiC 器件商业化的公司。 2001年，SiC二极管被应用于高端服务器型号的电源电路中。如今，二极管和晶体管都已达到实际使用所需的最低质量。尽管在成本方面仍然存在问题，但我们已经能够在性能方面表现出明显优于硅元件的优势。此外，虽然不是像 Si 那样的 300mm，但现在已经有了梦幻般的 150mm 直径的晶圆。

最重要的是，从环境保护和能源效率提高的角度来看，功率器件的市场价值正在增加（图2）。人们现在正在寻找功率损耗更低的功率元件，即使它们的成本更高一些。在某些方面，不断增长的需求支持了技术发展和商业化。

[图2]进行功率转换的部分是SiC功率器件的应用目标

应用范围从家电到铁路

──SiC功率器件应用于什么样的设备和系统？

SiC二极管商业化已经过去了15年，现在它被用于太阳能发电系统的电源调节器、空调和高端计算机的电源电路等许多设备中（图3）。

[图3]应用SiC元件的设备和正在试用的设备

此外，2013年，东京地铁银座线新1000系列列车的电源电路中采用了SiC二极管（图4）。电源电路由二极管和晶体管的组合组成，但我们用 SiC 元件代替了二极管。通过采用碳化硅二极管，这些银座线车辆现在能够在减速期间回收更多的再生电力（制动器产生的电力，从列车返回到架空电线并供应给其他列车和设施）。当损耗减少效果与再生功率增加效果相结合时，可实现30%的节电效果。

但是，银座线的这个例子可以说是一个非常特殊的例子。由于该线路不与私铁、JR等其他线路连接，架空线电压较低，为600V DC，只要耐压1700V即可导入功率半导体。一般线路的架空线电压为1500V直流，要求功率半导体能够承受3300V的电压。因此，为了扩展到其他线路，有必要创建能够承受如此高电压的元件。

[图4]在电源电路中使用 SiC 二极管的东京地铁银座线车辆

但是，三菱电机已经克服了这一点。自2014年起，配备SiC器件的车辆已开始在小田急线和JR山手线进行测试运行。该车辆的二极管和晶体管均采用SiC半导体材料制成，从而节省了38%的电力。小田急线计划于 2015 年春季开始运营，山手线计划于同年秋季开始运营。这为在更多路线上部署配备 SiC 器件的车辆打开了大门。下一个目标是新干线，其架空线电压为 25,000V AC。

──采用SiC的功率器件将朝什么方向发展？

未来，我们将继续开发该技术，进一步扩大其应用范围，特别是能够降低成本的技术。 SiC器件作为工业产品的演进和应用开发才刚刚开始。

就象征技术发展而言，它在铁路上的应用非常重要。但从商业角度来看，影响并不大。这是因为生产的有轨电车数量不足以支持半导体器件业务。因此，许多开发 SiC 器件的公司正在开发设想使用更多器件的应用的技术。例如，三菱电机的目标是将其应用于电梯电机的驱动部件，罗姆的目标是将其应用于工业设备的电机驱动部件。此外，包括丰田汽车公司和电装集团在内的许多公司都致力于开发这项技术用于汽车。预计该市场将在未来五年内迅速扩张。

更高耐压，更大电流

──应该开发什么样的SiC器件来扩展其应用？

为了扩展其应用，有必要创建能够承受更高电压和流过更大电流的元件（图5）。对于半导体器件来说，器件的厚度决定了耐压，器件的面积决定了可以流过的电流量。其中，厚度可以毫无障碍地克服。我们还开发了耐压为 20,000V 的 SiC 晶体管（图 6）。此外，需求量较大的家庭电源连接设备的供电电路只需承受100V交流600V，220V交流1200V，比已经实用化的铁路简单得多。

就电流而言，对于预计有大需求的应用，需要能够流过大电流的设备。一个典型的例子是汽车。目前商品化的元件可流过的电流约为20A。然而，驱动电动汽车和混合动力汽车的电机的电源电路需要能够流过100A或200A电流的功率元件。对于铁路应用，元件并联排列以允许大电流流动。然而，这种方法不能用于对降低制造成本有严格要求的汽车。我们的目标是创建一种可通过单芯片或两芯片配置传输 200A 电流的元件。

[图5]通过提高SiC的额定电压和电流来扩展应用

──我们需要进行哪些技术改进？

有两点。

一是制造高品质的晶体。晶体的质量直接关系到器件制造过程中的产量。目前，使用1mm见方的芯片制作功率器件的良率可以达到90%以上。即使是3平方毫米，也能达到70%或80%的水平，可以让你做生意。然而，当尺寸超过5平方毫米时，产量迅速下降。如果您尝试用单个芯片制作可流过200A电流的功率元件，则需要制作约10mm见方的芯片。为了以商业上可行的产量制造如此大的芯片，有必要将晶体缺陷减少一个数量级。

──另一点是什么？

需要提高开关电流的晶体管沟道部分的氧化膜和半导体之间的界面质量。这是创建具有优异特性和可靠性的 MOS 结构的关键。 MOS结构是Si器件兴起的原因，但SiC不具有Si所具有的干净界面。通过热氧化制成的氧化膜具有优异的绝缘性能，但其界面处存在许多缺陷，实用化的SiC晶体管与其潜力还相去甚远。 Si 的迁移率表示电子移动的难易程度，为 400 至 500 cm2/Vs。考虑到SiC原有的物理特性，应该可以做到300 cm2/Vs左右，但实际上只做到了20 cm2/Vs左右，这个数量级小了一个数量级。

接口质量不好的原因可能是残留的C导致了问题。然而，很难在界面处检测到C，并且界面质量恶化的原因尚不清楚。如果迁移率达到100 cm2/Vs，芯片面积就可以减小，那么我们就只差一步了。

[图6]SiC二极管和超高压SiC晶体管的结构（下图中的“JTE”代表Junction Termination Extension，是由高浓度层制成的器件隔离区域，用于抑制漏电流）

对现象的科学理解对于进一步发展至关重要

──技术发展进展顺利吗？

晶体和界面都得到了明显的改进。然而，它的改善非常缓慢。我觉得还是缺乏基础研究。

SiC 的粗略物理性质是已知的。然而，用于预测器件特性的器件仿真所需的参数中仍然存在许多未知参数。发展正在通过反复试验而蓬勃进行，但所发生现象背后的原理尚不清楚。科学知识的扩展与技术进步直接相关。

──与SiC一样，GaN（氮化镓）也有望成为功率器件的材料。您应该如何使用每一项？

GaN 可能会用于相对较低耐压（例如 200V、300V 和 600V）的电源电路中。在电流较小的应用中尤其有效。

就汽车而言，驱动电动汽车的电机的电源电路属于 SiC 器件的领域，但 GaN 器件适用于通过电池为车载设备产生 48V 电源的 DC-DC 转换器，因为它们只需能够流过 10A 或 20A 的电流，耐压为 200V。在比较功率损耗时，这是 SiC 和 Si 元素都较弱的领域，我认为每种材料都具有互补关系。

──除了功率器件之外，您还关注SiC的哪些应用？

我认为市场没有功率器件那么大，但我认为能够承受高温的半导体器件也值得开发。例如，可以构建可以在高达300℃的温度下工作的电子电路，包括存储器。应用可能会扩展到汽车、资​​源开采设备等热门领域。在美国，美国国家航空航天局 (NASA) 正在将该技术开发为太空设备。过去不可能制造集成电路，但现在可以在实验室水平上制造集成电路。

此外，与我同组的 Jun Suda 副教授正在使用 SiC 创建 MEMS（微型机械）。通过用单晶SiC制作悬臂梁，可以利用其坚硬的物理特性来提高谐振频率。如果我们将其应用于温度和压力传感器，我们可以创建灵敏度高一个数量级的传感器。当然，即使在高温下它也能工作。还可以在侧面安装 SiC 集成电路。

随着期望的提高，开发竞争也随之加剧

──SiC器件作为提高能源效率的关键器件，其开发变得越来越重要。

未来，开发竞争将更加激烈。到目前为止，日本企业和研究机构一直在与美国和欧洲竞争。日本在制造晶体和器件的技术水平方面处于领先地位。但从量产技术的角度来看，我们还不能说我们处于领先地位。

此外，可以肯定的是，中国、韩国和台湾等国家/地区将加速其技术发展。我认为，为了让日本继续领先，加深基本理解的科学探索至关重要。

为了在业务上领先，封装和模块技术也非常重要。目前，我们仍在生产基于Si技术的封装和其他产品，但如果我们利用SiC的特性，更高密度的封装将成为可能。我必须填写这个。

我认为过去 5 到 10 年将是真正的挑战。

个人资料

木本常信（木本常信）

京都大学大学院工学研究科电子工学系教授

1963年出生。1988年京都大学工学研究科硕士毕业后，加入住友电工株式会社，从事非晶半导体和金刚石半导体的研究。 1990年：在京都大学工学部担任助教，开始SiC半导体的研究。获得博士学位1996 年获得工程学博士学位，研究方向为晶体生长、物理性能评估和高压二极管。同年至1997年，瑞典林雪平大学物理系访问研究员。 1998年成为京都大学助理教授，2006年成为京都大学教授。2009年至2014年担任内阁府先进研究开发支援计划核心研究员，2014年起担任日本应用物理学会先进功率半导体分委会秘书长。期间，持续推进SiC功率半导体晶体生长、物理性质阐明、缺陷电子学、离子注入与MOS界面控制、肖特基势垒二极管、PiN二极管、MOSFET、JFET、BJT、IGBT等基础研究，并致力于半导体量子线电子态与载流子输运、阻变存储器、氮化镓功率器件等方面的基础研究。

http://semiconkueekyoto-uacjp/

作家

伊藤元明（伊藤元明）

光线有限公司代表

在富士通担任工程师，拥有 3 年的半导体开发经验；在 Nikkei Micro Devices、Nikkei Electronics、Nikkei BP Semiconductor Research 等公司担任记者/台/主编 12 年的新闻工作经验；在 Techno Associates（日经 BP 与三菱商事的合资智囊团）担任顾问，从事制造商业务支持活动 6 年；以及 4 年的营销工作作为 Nikkei BP 技术信息组广告部门的广告制作人支持活动。

2014年，他独立成立了光线有限公司。该公司提供专门从事技术营销的支持服务，公司考虑并付诸实践如何向目标受众（主要是科技公司）准确传达技术的价值。

网址：http://wwwenlight-inccojp/