从材料创新到技术创新 ROHM双沟槽SiC-MOSFET量产

凭借高压、高温和高频的三大特性，SiC（碳化硅）材料自问世以来就受到了广泛的关注，特别是在电源、太阳能光伏和工业市场。

从最早商用的SiC肖特基二极管，到近几年出现的SiC金氧半场效晶体管（MOSFET）、结晶性场效应晶体管（JFET）和双极型晶体管（BJT），随着产品性能的逐步提升和价格的显著下降，SiC器件正逐步取代传统的FRD和IGBT等产品。据IHS IMS Research预测，到2022年SiC MOSFET销售额预计将达到4亿美元，超越肖特基二极管成为最热卖产品。

2014年SiC功率器件的市场规模仅为1.2亿美元。前景虽然乐观，但实现两位数的年增长率绝非易事。ROHM半导体（深圳）有限公司 分立元器件部 高级经理 水原德健表示，相较硅功率器件的100亿美元市场，SiC的市场规模还很有限，当然也意味着巨大的上升空间。作为最早开发SiC的厂商之一，ROHM已在SiC市场耕耘十余年，纵观SiC的商用历程，材料的创新性是SiC进入功率市场的入场券，但要赢得更多的市场份额，技术的不断创新才是关键。

近日，ROHM开始量产采用创新的双沟槽的SiC-MOSFET，器件导通电阻显著降低，有助于工业设备等大功率设备的小型化与低功耗化。

据水原德健介绍，目前，市场上主流的SiC-MOSFET以平面结构为主，ROHM的上一代SiC-MOSFET也是采用平面结构。新产品与现有的平面型SiC-MOSFET相比，同一芯片尺寸的导通电阻可降低50%，同时还提高了开关性能（输入电容降低约35%），这将大幅降低太阳能发电用功率调节器和工业设备用电源、工业用逆变器等所有相关设备的功率损耗。

图： 平面结构与沟槽结构的对比（※图片来源：ROHM Co., Ltd.）

将栅极设计为沟槽结构，可以有效提高芯片cell密度，从而降低导通损耗，提升开关性能。但是，一般的单沟槽设计在门极沟槽底部电场集中，易被破坏，导致可靠性降低，难以量产。ROHM创新的双沟槽结构则有效缓和门极沟槽部分产生的电场的结构，可以确保器件的长期可靠性，ROHM现实现了采用沟槽结构的SiC-MOSFET的量产。

图：单沟槽结构与ROHM双沟槽结构的对比（※图片来源：ROHM Co., Ltd.）

如下图所示，首个量产的采用沟槽结构的SiC-MOSFET的BSM180D12P3C007，与IGBT模块相比，开关损耗降低约77%，与使用ROHM第2代平面结构的SiC-MOSFET相比，开关损耗降低约42%。

图：SiC-MOSFET大幅降低了开关损耗（※图片来源：ROHM Co., Ltd.）

ROHM能够提出创新设计解决SiC沟槽结构的技术难题并非偶然。据了解，ROHM早在2002年6月就开始了SiC-MOSFET的基础实验，在2010年率先开始量产SiC-MOSFET，在2013年率先量产1200V全SiC功率模块，始终走在SiC材料技术创新的前沿，不断突破技术瓶颈。值得一提的是，2009年SiC晶圆厂商SiCrystal加盟ROHM，从而确立了从德国生产SiC PCB板，日本福冈生产SiC分立器件，到日本京都ROHM总部生产SiC模块的一条龙生产体制。这一独特的优势，保证了ROHM SiC产品的可靠供货，又使得ROHM在SiC从材料、工艺到设计各个环节有更多的创新机会以实现技术突破。据水原德健透露ROHM下一步的开发重点是将SiC-MOSFET每个沟槽距离进一步变小、器件更精密，尺寸更小。

据Yole Développement预测，2015年基于SiC的功率模块市场规模将超过1亿美元，2020年将达到8亿美元，主要取决于汽车行业是否采用SiC技术。据水原德健介绍，汽车行业目前欧洲和日本厂商都有采用SiC器件，热门的充电桩领域，中国的一家大厂商也在使用ROHM的产品。

目前全球有约30家半导体厂商具有SiC器件的设计、制造和销售能力，虽然研发进度各不相同，但他们几乎同样面临着成本、封装和货源这些重要挑战。我们期待更多公司加入创新的行列，共同推动SiC市场的增长，使得太阳能发电和工业电源等设备的能耗、尺寸进一步降低。