日本产业技术综合研究所(产综研)功率电子研究中心,日前与日本山梨大学研究生院医学工学综合研究部的春日·矢野研究室,利用自行开发的制造工艺,使用六方结晶SiC(4H-SiC)成功地试制出了具有p+栅极区结构的静电感应晶体管(嵌入栅极型SiC-SIT:SiC-Static-Induction-Transistor)。其耐压为700V,导通电阻为1.01mΩcm2,在耐压为600V~1.2kV的开关元件中,实现了全球最小的导通电阻。与过去的逆变器电路中使用的Si-IGBT(绝缘栅双极晶体管)相比,能够将电量损耗大幅降低了1/12。
嵌入栅极型SiC-SIT的应用范围包括采用AC100/200V商业电源的家电产品(IH烹调炉、热力泵等)、不间断电源(UPS)等小容量逆变器、采用DC300/400C电源的汽车(混合动力车、电动车、燃料电池车等)中容量逆变器、用于大型工业加热器控制的大容量逆变器,可广泛用于分散电源和太阳能发电等领域,预计其市场规模将超过1万亿日元。一旦投入实际应用,据推算到2020年将可使日本的二氧化碳减排效果达到1990年日本二氧化碳总排放量的1%,有望对2005年2月16日正式生效的《京都议定书》所规定的地球温室效应气体的减排做出巨大贡献。
SiC(碳化硅)与硅相比能带隙比约为3倍,绝缘击穿电场强度约为10倍,因此具有良好的耐热性和耐电压性,电量损耗小。目前作为取代硅的功率元件半导体材料受到了业界的广泛关注,全球各地正在加紧进行研究和开发。在使用SiC的元件中,静电感应晶体管(SiC-SIT)作为可充分发挥SiC晶体中高电子迁移率(最高可达900cm2/Vs)特性的低导通电阻的高速开关元件,尤其受到业界青睐。目前市场上唯一销售的SiC开关元件是德国半导体厂商生产的SIT。耐压为1200V,导通电阻为12mΩcm2。提高SIT性能的关键是如何提高沟道结构的微细化工艺水平。过去曾经尝试的结构均难以提高工艺水平,包括市售元件在内都只能得到远远低于SiC材料本身所具有的物理特性极限的性能。
产综研与山梨大学研究生院为了解决上述问题,提出了一种完全嵌入p+栅极区的构造(嵌入栅极型SiC-SIT)。这种构造在形成源电极与栅电极时不需精确地进行位置校对,能够大幅缩小单位元件尺寸(单元间隔)。假如利用这种元件结构提高微细化工艺,那么就能增大单位面积的电流量,降低元件的导通电阻。
作为嵌入栅极型SIT结构,采用硅材料的Si-SIT方案是最先提出来的,并且进行了大量试制。而对于SiC来说,要想利用旨在提高元件微细化水平的传统工艺实现嵌入栅极型SIT结构极为困难,因此过去从未进行过尝试。此次,通过自主开发新的制造工艺技术,不仅实现了微细化嵌入栅极结构,而且还实现了超低电量损耗的功率晶体管。
此次制作的嵌入栅极型SiC-SIT在电压·电流特性方面,在2.5V的栅极电压(VG)和室温条件下得到了1.01mΩcm2的超低导通电阻。反向特性方面,在-12V栅极电压下得到了700V的耐压特性,包括过去所报告的SiC产品在内在耐压值为600V~1.2kV的开关元件中,实现了最低的导通电阻。过去的逆变器电路所用的硅功率晶体管(IGBT)一般是600V的耐压,约12~13mΩcm2的导通电阻。与此相比,由于导通电阻只有1/12,因此电量损耗也就能够大幅减小到了1/12。