承继传统技术优势 东芝发力SiC功率器件

功率半导体器件作为电力电子设备的关键组成部分，直接影响了整个电力电子设备的系统成本和工作效率。特别是伴随着更多高性能低功耗要求的出现，对功率器件的应用要求也随之变化。相比于传统的半导体芯片主要依靠工艺和制程的进展提升性能，功率器件的很多性能指标则直接由材料的性能指标所决定。因此，要满足更新的系统设计要求往往需要基于新材料的功率器件才能得以实现。

从二极管到三极管，再到更为复杂的MOSFET和IGBT等，硅基功率半导体固态器件的日渐成熟，广泛应用于各种电子设备中，确保了系统性能的不断提升。但是由于硅材料本身物理特性的限制，在某些高压、高温以及高效率或高功率密度要求的应用中，无法满足其系统设计的要求。这个时候宽禁带半导体引起人们的重视，SiC（碳化硅）和GaN就是其中的典型代表。

SiC功率器件正当时

不同于更适合模拟射频应用的GaN，SiC材料在功率器件方面的表现更值得期待。相比于传统硅材料，在相同的功率等级下，选择SiC器件可以让设备中功率器件的数量、散热器的体积、滤波元件体积大大减小，同时效率也有大幅度的提升。这些优势来自于SiC材料更为出色的物理特性。

由于具有比硅宽得多的禁带宽度，SiC具有更高的临界雪崩击穿电场强度和载流子饱和漂移速度、较高的热导率和相差不大的载流子迁移率。在高温特性方面，SiC的晶体结构更为稳定，其能带宽度是硅材料的两倍以上，因此SiC所能承受的温度更高，最大工作温度可到600ºC。在高压方面，宽禁带特性让SiC的击穿场比硅强十倍多，因此SiC器件的阻断电压比硅器件高很多。在高功率密度方面，SiC的热导系数是硅的2.5倍，饱和电子漂移率是硅的2倍，所以SiC器件能在更高的开关频率下工作，并能大幅提高电流密度。此外，SiC器件的导通损耗比Si器件小很多，受温度的影响也更小。这就意味着，SiC功率器件可以有效实现电力电子系统的高效率、小型化和轻量化。据了解，SiC功率器件的能量损耗只有Si器件的50%，发热量只有Si器件的50%。

近年来，由于高温高压和高电流密度应用的迫切需求，SiC器件应用逐渐广泛，随之而来的是制造工艺逐渐成熟，材料价格快速下降，应用范围也进一步扩大，特别是在功率二极管、MOSFET以及晶闸管和绝缘栅双极晶体管（IGBT）等领域，SiC材料的器件几乎笃定将成为新一代主流的低损耗功率器件。

SiC续写东芝功率器件金牌口碑

分立器件是东芝半导体非常重要的产品领域，经过多年的技术积累和海量客户应用，逐渐塑造了技术指标强，产品可靠性好等业界金牌口碑，特别是功率器件方面具有非常强的技术优势和产品性能。东芝的高低压MOS管和SiC肖特基二极管和MOS管产品，在工业电源、汽车电子、消费电子、服务器电源、移动通信、数据中心以及通信电源等市场具有非常明显的竞争优势。

东芝对SiC器件的研究处于业界领先水平，拥有自己的全套生产线，目前主推第二代产品，下一代产品预计将在明年推出。目前东芝的SiC器件已经普遍应用于需要高频开关和大功率应用场合比如开关电源的PFC部分、牵引用逆变器、光伏逆变器、充电桩和UPS等领域。SiC产品目前集中在SiC肖特基二极管（SBD）和MOSFET两个品类，针对650V和1200V电压应用。

SiC晶圆工艺的演进图

碳化硅晶圆工艺发展是个不断优化的过程。最早是选择比较简单且成本优势比较大的SBD工艺，但是它的IR很大，IFSM很小。随后的MPS工艺在SBD的基础上，在金属层的前面加入了P+结，IFSM得到充分的改善，IR也略有改善，但VF却有所下降。再接下来是JBS工艺，也是东芝第一代碳化硅产品主要采用的工艺，通过P的掺杂浓度和形状的改变使得IR得以改善，但是VF跟IFSM性能略有下降。最后，改进后的Modified JBS工艺结合MPS和JBS工艺的优势，使得三个参数之间都得到了优化，同时晶圆厚度降低，进一步提升产品的性价比，这也是东芝第二代碳化硅产品使用的技术。

SiC肖特基二极管（SBD）实现了Si材料难以实现的高击穿电压，显著降低了Si-FRD（快速恢复二极管）等P-N结二极管无法实现的反向恢复时间（电荷）。通过采用改进后的JBS结构，东芝的产品改善了SBD的漏电流和浪涌电流（这些都是SBD的不利条件），并因此可以将第二代SiC SBD（肖特基二极管）的IR降低到50μA max @650V，VF规格的典型值仅为1.45V，IFSM的容量大幅提升的同时开关损耗相比于第一代降低了30%。2021年，东芝第三代SiC产品即将面世，SBD产品的电压范围将扩展到1200V，从而满足更多的市场需求。

东芝另一款主打产品是1200V SiC MOSFET，相比于其他公司同类产品，主要有三个特点：一是，东芝将VGSS的额定值做到了更宽的-10V~25V，便于产品应用在更多的设计中；二是Vth更高，从而可以避免系统的误动作，其典型值为5V而标称范围在4.2~5.8V；三是内置了肖特基二极管，从而降低了VF，有助于降低导通损耗。

东芝MOSFET与其他公司同类产品的VGSS和Vth对比

东芝半导体很早就将SiC作为功率器件发展尤为重要的未来方向，在这个新兴的功率器件发展跑道上，一方面深耕SiC工艺改进，开发出更多具有出色技术优势的功率器件产品，另一方面则深化器件的低成本，希望逐步将SiC功率器件的性价比提升到硅基器件的水平，从而让更多的设计选择SiC器件。同时，东芝还将根据市场的需求，不断引入更新的技术指标，借助东芝既有的功率器件研发技术和服务优势，在电源系统设计中的高效功率器件替代方面不断催生新的市场需求，从而将SiC功率器件服务到更广泛的开发者设计需求中。