成功開發(fā)了SiC單片功率集成電路

 - -世界第一！ 將SiC縱型MOSFET和SiC CMOS單片集成化-

重點(diǎn)

將SiC立式MOSFET和SiC CMOS集成在一個(gè)芯片上，驗(yàn)證了開關(guān)動(dòng)作 通過(guò)開發(fā)獨(dú)特的器件結(jié)構(gòu)，使SiC CMOS的輸出電流增大和與高電壓的絕緣并存 通過(guò)小型輕量化、高性能化、高功能化，期待擴(kuò)大電力轉(zhuǎn)換設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域

概要 國(guó)立研究開發(fā)法人產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所【理事長(zhǎng)石村和彥】(以下稱為“產(chǎn)總研”)先進(jìn)功率電子研究中心【研究中心長(zhǎng)山口浩】功率器件團(tuán)隊(duì)岡本光央主任研究員、原田信介研究小組長(zhǎng)、功率電路集成小組姚惇研究員、佐藤弘研究小組組長(zhǎng)， 使用碳化硅( SiC )半導(dǎo)體，在世界上首次實(shí)現(xiàn)了將耐電壓1.2 kV級(jí)的縱型MOSFET和由CMOS構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路集成在同一芯片上的單片功率IC，確認(rèn)了其開關(guān)動(dòng)作。 雖然SiC單片功率IC能夠?qū)﹄娏D(zhuǎn)換設(shè)備的小型輕量化和損耗降低等做出貢獻(xiàn)，但是存在SiC CMOS的輸出大電流化和與高電壓的絕緣并存的困難課題，迄今為止還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。 這次，重新開發(fā)了產(chǎn)綜研獨(dú)自的器件結(jié)構(gòu)，在SiC CMOS的高電壓絕緣的基礎(chǔ)上同時(shí)成功實(shí)現(xiàn)了輸出電流的增大。 基于該技術(shù)，制作了將CMOS驅(qū)動(dòng)電路與SiC縱型MOSFET集成在同一芯片上的SiC單片功率IC，在世界上首次證實(shí)了開關(guān)工作。 此次開發(fā)的技術(shù)是在SiC傳感器和SiC邏輯電路等的功能集成方面開拓道路的成果，電力轉(zhuǎn)換設(shè)備用途的擴(kuò)大值得期待。 另外，該技術(shù)的詳細(xì)情況將在2021年5月30日~ 6月3日在線舉辦的the 33rd國(guó)際系統(tǒng)電源半導(dǎo)體設(shè)備與ics ( ispsd )上發(fā)表。

開發(fā)的SiC單片功率IC的顯微鏡照片及其等效電路

開發(fā)的社會(huì)背景 近年來(lái)，全球變暖問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，社會(huì)整體的節(jié)能化(削減CO2 )已成為當(dāng)務(wù)之急。 進(jìn)行電力能源轉(zhuǎn)換控制的電力電子技術(shù)是能夠?qū)崿F(xiàn)家電產(chǎn)品和工業(yè)用設(shè)備等的節(jié)能化的關(guān)鍵技術(shù)之一。 為了實(shí)現(xiàn)2050年的碳中和，有必要在各個(gè)地方大量導(dǎo)入應(yīng)用了電力發(fā)電技術(shù)的電力轉(zhuǎn)換設(shè)備。 電力轉(zhuǎn)換設(shè)備的小型輕量化、高性能化、高功能化在擴(kuò)大電力轉(zhuǎn)換設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域、大量引進(jìn)方面很重要，作為其核心的功率設(shè)備的革新不可或缺。 SiC具有比以往作為功率器件材料使用的Si優(yōu)越的物性，能夠以更低的損耗處理大電流·高電壓的SiC立式MOSFET已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化。 另一方面，關(guān)于SiC單片功率IC，由于制造難度，幾乎沒(méi)有報(bào)道。 特別是，能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單的電路構(gòu)成，而且搭載低功耗的CMOS驅(qū)動(dòng)電路的SiC單片功率IC迄今為止還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。 其最大的理由是，被設(shè)計(jì)為即使在高電壓下也不會(huì)損壞的SiC CMOS驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流小，難以使SiC縱型MOSFET進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作。 研究的經(jīng)過(guò) 產(chǎn)業(yè)綜合研究所推進(jìn)了面向SiC功率器件批量生產(chǎn)的技術(shù)開發(fā)。 迄今為止，作為獨(dú)特結(jié)構(gòu)的SiC功率MOSFET (晶體管)，開發(fā)了第一代IE-MOSFET、第二代IE-UMOSFET。 另外，作為有關(guān)作為驅(qū)動(dòng)電路使用的SiC CMOS的研究，還進(jìn)行了制造工藝的要素技術(shù)開發(fā)和特性評(píng)價(jià)。 并且，還對(duì)使用了SiC功率器件的交換技術(shù)進(jìn)行了研究開發(fā)。 此次，凝聚了這些研究成果，開發(fā)了在同一芯片上集成了IE-UMOSFET和SiC CMOS的SiC單片功率IC，證實(shí)了開關(guān)動(dòng)作。 另外，本研究開發(fā)得到了國(guó)立研究開發(fā)法人新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)的委托事業(yè)“NEDO先導(dǎo)研究計(jì)劃/能源環(huán)境新技術(shù)先導(dǎo)研究計(jì)劃( 2020~2021年度)”的支援。 研究的內(nèi)容 此次，產(chǎn)業(yè)綜合研究所開發(fā)了將縱型MOSFET和CMOS驅(qū)動(dòng)電路集成在同一芯片上的SiC單片功率IC。 其概念圖如圖1所示。 以往，CMOS驅(qū)動(dòng)電路和縱型MOSFET被分成不同的芯片，其信號(hào)布線通過(guò)金屬線和印刷基板等進(jìn)行。 由于向縱型MOSFET施加高電壓，因此需要與CMOS驅(qū)動(dòng)電路充分的絕緣距離，這是阻礙電力轉(zhuǎn)換設(shè)備小型輕量化的主要原因。 另外，由于信號(hào)布線中存在的寄生電感(意想不到的感應(yīng)成分)，開關(guān)動(dòng)作受到不良影響，成為損失增大的原因。 開發(fā)的單片功率IC通過(guò)將縱型MOSFET和CMOS驅(qū)動(dòng)電路集成在同一芯片上，可以使信號(hào)布線長(zhǎng)度最小化，因此可以實(shí)現(xiàn)小型輕量化和降低寄生電感。