日本AIST成功开发出世界上第一片碳化硅单片电源IC

infowei · 发表于 2021-5-30 22:30:57

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国立先进工业科学技术研究所（以下简称“AIST”）、先进电力电子研究中心功率器件组冈本光夫高级研究员，原田伸介研究组组长，电源电路整合团队 Atsushi Yao，研究员 Hiroshi Sato等

采用碳化硅（SiC）半导体，耐压1.2kV级垂直 MOSFET和下设的CMOS驱动电路集成在同一芯片上，我们实现了世界上第一个单片电源 IC并确认了它的开关操作。

SiC单片电源IC虽然它可以有助于减小功率转换设备的尺寸和重量以及减少损耗，但由于同时实现 SiC CMOS 的大输出电流和高电压绝缘的困难问题，到目前为止还没有实现。这一次，我们开发了 AIST 独有的新器件结构，并成功实现了除 SiC CMOS 的高压绝缘外，同时增加输出电流。基于该技术，我们制造了在与SiC垂直MOSFET相同的芯片上集成CMOS驱动电路的SiC单片功率IC，并在世界上首次展示了开关操作。这次开发的技术是为SiC传感器和SiC逻辑电路等功能的集成铺平道路的结果，有望扩大功率转换设备的应用。

这项技术的详细信息将在第 33 届功率半导体器件和 IC 国际研讨会 (ISPPSD) 上公布，该研讨会将于 2021 年 5 月 30 日至 6 月 3 日在线举行。

开发的碳化硅单片电源IC的显微照片及其等效电路

发展的社会背景

近年来，全球变暖问题日益严重，全社会迫切需要节约能源（减少CO 2）。电力电子（powerelectronics）技术对电能进行转换和控制，是实现家电和工业设备节能的关键技术之一。2050年要实现碳中和，需要引进大量应用电力电子技术的电力转换装置到各地。功率转换设备的小型化、轻量化、高性能化、高功能化对于扩大功率转换设备的应用范围和大量引进具有重要意义，而在其中发挥核心作用的功率器件的创新必不可少。

与以往作为功率器件材料使用的Si相比，SiC的物性优异，能够以较低的损耗应对大电流、高电压的SiC纵型MOSFET已经实用化。另一方面，由于制造困难，关于SiC单片功率IC的报道很少。尤其是，搭载CMOS驱动电路的SiC单片电源IC，电路结构简单，功耗低，目前尚未实现。造成这种情况的主要原因是，设计为在高压下不收支平衡的 SiC CMOS 驱动电路输出电流较小，并且难以切换 SiC 垂直 MOSFET。

研究历史

AIST 一直在开发用于量产 SiC 功率器件的技术。迄今为止具有独特结构的第一代 SiC 功率 MOSFET（晶体管）IE-MOSFET，第二代开发了IE-U MOSFET。此外，作为对用作驱动电路的 SiC CMOS 的研究，我们还开发了制造工艺的基本技术并评估了它们的特性。此外，我们一直在研究和开发使用 SiC 功率器件的开关技术。这一次，结合这些研究成果，我们开发了在同一芯片上集成IE-U MOSFET和SiC CMOS的SiC单片电源IC，并演示了开关操作。

该研究开发得到了国家研究开发公司新能源与产业技术开发组织委托的“NEDO领先研究计划/能源与环境新技术领先研究计划（2020-2021）”的支持。

研究内容

这一次，AIST开发了在同一芯片上集成了垂直MOSFET和CMOS驱动电路的SiC单片功率IC。概念图如图1所示。传统上，CMOS驱动电路和垂直MOSFET被分成单独的芯片，并且它们的信号布线通过金属线、印刷电路板等进行。由于对垂直MOSFET施加高电压，因此需要与CMOS驱动电路有足够的绝缘距离，这是阻碍功率转换器件尺寸和重量减小的一个因素。此外，信号布线中存在的寄生电感（非预期的电感分量）会对开关操作产生不利影响并导致损耗增加。开发的单片电源IC通过在同一芯片上集成纵向MOSFET和CMOS驱动电路，可以最大限度地缩短信号布线长度，从而可以减小尺寸和重量以及寄生电感。

图 1 开发的单片电源 IC 技术概念图

图 2 显示了开发的 SiC 单片电源 IC 的特性。如图 2(a) 所示，SiC 单片功率 IC 由两个区域组成，一个垂直的 MOSFET 区域和一个 CMOS 驱动电路区域。AIST 开发的 IE-U MOSFET 用作垂直 MOSFET。CMOS 驱动电路形成在 IE-U MOSFET 共有的 p 型层上，并成功实现了 (1) p 型 MOSFET 的输出电流增加和 (2) 耐压。下面分别介绍两点的具体内容。

(1) p型MOSFET输出电流增大：一般SiC CMOS的问题是p型MOSFET输出电流明显劣于n型MOSFET输出电流，阻碍了开关操作的实现SiC CMOS 驱动电路。在那里。我们在 IE-U MOSFET 的 p 型层具有高晶体质量利用由外延膜形成的特性，制造工艺几乎没有变化。形成了外延嵌入式通道。结果，我们成功地将 p 型 MOSFET 的输出电流增加了四倍（图 2（b））。

(2) 耐压：通过在与IE-U MOSFET相同的耐压结构中形成SiC CMOS，我们成功地将CMOS驱动电路与1500 V的漏极电压绝缘，而无需增加新的制造工艺（图2（c）） ))。

图 2 (a) 新开发的 SiC 单片功率 IC 剖面示意图，(b) 外延嵌入通道的影响，(c) 耐压特性

图 3 显示了制造的 SiC 单片电源 IC 的开关操作波形。在漏极电压为 600 V 和漏极电流为 10 A 的情况下执行开关操作。获得了从导通状态到关断状态（关断）的开关操作波形和从关断状态到导通状态（导通）的开关操作波形，并首次演示了SiC单片功率IC的开关操作。

图3 SiC单片电源IC的开关工作波形（a）关断波形，（b）导通波形

未来的计划

未来，我们将进一步提高 SiC CMOS 驱动电路的输出电流，以实现 SiC 单片功率 IC 的高速开关。此外，还将集成传感器、逻辑电路等，以提高便利性，并有助于扩大电力转换设备的应用范围。

术语解释

◆ 碳化硅（SiC）半导体

由碳 (C) 和硅 (Si) 组成的化合物半导体。与传统的硅半导体相比，它具有优异的物理特性，可改善功率器件的特性。当SiC用于功率器件时，它可以获得比Si器件高一个数量级的耐压，有望成为下一代功率器件的材料。

◆ 垂直MOSFET

MOSFET 是一种金属/氧化物/半导体场效应晶体管。内部导通状态由控制极（栅极）的电压改变，以控制晶体管的输入极（源极）和输出极（漏极）之间的开关状态（内部电路的开/关状态）。根据所用半导体的导电类型，有两种类型：在正控制电压下工作的n型MOSFET和在负控制电压下工作的p型MOSFET。在SiC功率器件中，一般采用n型MOSFET，常见的是源极和栅极布置在衬底正面，漏极布置在衬底背面的垂直结构。

◆CMOS

互补MOS。一种结合了 p 型 MOSFET 和 n 型 MOSFET 的电子电路。当一个处于开启状态时，另一个处于关闭状态，这是一种互补的操作。它具有功耗低、电路配置简单等诸多优点。它是一种水平结构，其中所有电极都布置在基板的正面。

◆ 驱动电路

一种用于创建要发送到 MOSFET 的控制电极（栅极）的信号的电子电路。

◆ 单片电源IC

将作为主器件的功率器件和驱动电路等外围电路集成在同一芯片上的集成电路(IC)。

◆ 电源转换设备

使用由半导体晶体管构成的功率器件的开关（内部电路的 ON/OFF）来处理功率转换（DC/AC 转换和电压转换）和控制的设备。

◆ IE-MOSFET

一种由 AIST 开发的 SiC 垂直 MOSFET，称为注入和外延 MOSFET。它具有平面结构，其中开关状态由控制电极（栅极）控制的半导体区域（沟道）平坦地形成在表面上。通过在高质量晶区形成沟道，降低了导通状态的电阻。

◆ IE-U MOSFET

由 AIST 开发的 SiC 垂直 MOSFET，称为 Implantation & Epitaxial Trench MOSFET。它具有沟槽型结构，其中开关状态由控制电极（栅极）控制的半导体区域（沟道）形成在设置在表面上的凹槽（沟槽）的侧壁上。它是一种将沟槽型应用于IE-MOSFET的结构，导通状态的电阻大大降低。

◆ 外延膜

经过晶体生长（外延生长）以继承底层晶体结构的薄膜。结晶度高，晶体缺陷少。通过在生长过程中引入杂质，可以控制 n 型和 p 型导电类型。

◆ 外嵌通道

由MOSFET的控制电极（栅极）控制开关状态的半导体区称为沟道，沟道区中杂质浓度发生变化的半导体区称为嵌入沟道。引入它是为了改善从关断状态到导通状态开始转换时的控制电压（阈值栅极电压）和导通状态下电流流动的容易程度（沟道迁移率）。这种由外延膜形成的嵌入沟道称为外延嵌入沟道。由于外延膜的结晶度高，虽然改善效果高，但通常需要额外的外延生长，给制造工艺带来沉重的负担。