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硅基超级结器件——中高压功率器件市场大混战中的性价比赢家


2015-08-04 仲雪倩 ZJU功率电子器件实验室


    目前硅基超级结功率MOSFET的产品覆盖500~900V的电压等级,而这恰巧是功率器件市场选择最丰富,竞争最激烈的区域。前有Si-IGBTPlanar-MOSFET低成本成熟技术的强力挤压,后有宽禁带半导体SiC-FET, lateral GaN-HEMTs的围追堵截,Si SJ为何能在有限的中高压功率器件市场上分得一杯羹?这将是本文主要思考的问题。


Cost & Price is always of primary concern. So,leave all the technique issues alone, 我们先来谈钱。表1对比了Si SJGaN HEMTSiC FETs主要成本相关的数据。12英寸的大批量生产无疑是Si SJ的最大成本优势。而其最大的成本劣势在于极高的工艺成本,甚至明显高于宽禁带半导体。工业界主要有两种主流工艺,如图1所示:一是multi-epi工艺,这套工艺十分复杂,而且扩散作用使得cell pitch受到限制;二是深槽工艺,Infineon CoolMOS的最新系列C7就是采用这套工艺,cell pitch可以做到5um以下,成本也显然比多次外延加注入具有更大优势。目前,SiC SJ坐拥$600M/year的市场,占整个discrete MOSFET ($1.8B/year)市场的1/3。随着工艺成本的不断降低,Si SJ正在逐步取代standard planar MOSFET。但同时,在过去的十年中,SiC材料average annual cost down高达12%,这使其竞争力不断增强。尽管短期内这并不会威胁到Si SJ成本最低的地位,但是二者之间的差距必将会越来越小。


1 几种器件的成本对比


1 Si SJ工业界的两种主流工艺


接下来,我们来关注Si SJ的性能,以最卓越的Infineon CoolMOS C7650V)为标杆。图2给出了 Infineon CoolMOS family历年来600V/650V产品的最优RDS,on*A进化历程,C7已经达到了1Ω.mm2的水平。尽管650V SiC FETsRDS,on*A可以达到低于5倍的水平,但这不足以弥补SiC的高成本短板。在目前超结器件还无法达到的大于1200V的应用中,SiC FETs会凸显它导通电阻的绝对优势。对于GaN而言,GaN-on-Si是唯一具有成本竞争力的衬底选择,但是目前仍饱受高缺陷密度的困扰,导致实际可用电压远低于标称击穿电压600V,这也使它目前还无法威胁600V/650V Si SJ的地位。


2 The evolution of RDS,on*A ofInfineon CoolMOS family over time for best available 600V/650V devices


3 Eoss comparison of Si SJ, SiC, GaN device


超级结的引入带来了明显的die size shrink, 这对于器件开关特性大有裨益,但却给器件散热及可靠性带来了很大的压力。一方面,器件雪崩耐量,过压/过流保护能力受到限制;另一方面,封装寄生电感和EMI问题限制了最高dV/dtdI/dt, Si SJ如果要发挥Si SJ的开关特性的优势,必须优化封装。封装可靠性也是SiCGaN面临的共同问题。


最后,引用Infineon的资深专家O. Haberlen的话作为结语,”In the 600V to 1200V blocking range this results in avery competitive situation with no clear long term winner identified today. Therace will be decided individually depending on the target application.”

 

作者简介:仲雪倩,PEDL功率电子器件实验室12级博士研究生(浙江大学直博3年级生)。主要研究领域为宽禁带半导体材料碳化硅基半导体器件的结构,工艺以及器件应用。曾在TSMC(上海)参与台积电600V硅基超级结MOSFET的产品研发并承担关键工艺研究工作一年。目前已发表核心SCI期刊(IEEE PowerElectronics)一篇,SCI期刊(MicroelectronicsReliability)一篇,多次参与包括APECISPSD等专业领域内顶级国际会议并刊发文章。目前从事碳化硅超级结结构的工艺设计与器件制造相关研究。