前段時(shí)間， 日立 發(fā)布了一款TED-MOS溝槽結(jié)構(gòu)的 SiC MOSFET ，號(hào)稱“業(yè)界最節(jié)能”。

對(duì)于該結(jié)構(gòu)，日立非常有信心，提出了一個(gè)“大目標(biāo)”——2030年要將碳化硅半導(dǎo)體的銷售額提高至17.8億人民幣，達(dá)到2019年度的30倍。并且，日立的目標(biāo)是趕上并超越羅姆、科銳等公司。

TED-MOS結(jié)構(gòu)真的那么牛？今天，“三代半風(fēng)向”跟大家聊聊它究竟有什么特點(diǎn)。

同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，全球已有6家企業(yè)量產(chǎn)了溝槽SiC MOSFET，但相關(guān)專利最強(qiáng)的竟然不是Cree（附在文末）。

目標(biāo)：17.8億元

挑戰(zhàn)羅姆、三菱、科銳、英飛凌

據(jù)日本經(jīng)濟(jì)新聞報(bào)道，該產(chǎn)品是由日立的子公司 日立功率半導(dǎo)體 開發(fā)，于今年3月開始供應(yīng)樣品，將根據(jù)客戶的反應(yīng)， 從2022年度開始量產(chǎn) 。

2019年度，日立功率半導(dǎo)體的銷售額約為360億日元（約21.38億人民幣），其中，碳化硅半導(dǎo)體的銷售額為10億日元（約5940萬元人民幣）。目前僅用于部分鐵路，未來還將面向純電動(dòng)汽車、光伏發(fā)電及電力系統(tǒng)推廣產(chǎn)品。

日立功率半導(dǎo)體認(rèn)為，碳化硅半導(dǎo)體到2023年以后來自純電動(dòng)汽車等的需求將擴(kuò)大，將實(shí)現(xiàn)全面普及。他們的碳化硅半導(dǎo)體的銷售額到2027年度將達(dá)到250億日元（14.85億人民幣），到2030年度提高至300億日元（約17.8億人民幣），是2019年的營(yíng)收的30倍。

插播：加入第三代半導(dǎo)體大佬交流群，請(qǐng)加VX：hangjiashuo666

在2018年開發(fā)出TED-MOS結(jié)構(gòu)后，日立研發(fā)負(fù)責(zé)人就曾表示， 羅姆、三菱電機(jī)、Cree和英飛凌在SiC功率半導(dǎo)體方面處于領(lǐng)先地位，但日立的目標(biāo)是趕上并超越這些領(lǐng)先的公司。

TED-MOS結(jié)構(gòu)性能如何？

2018年9月，日立功率半導(dǎo)體就發(fā)布了TED-MOS結(jié)構(gòu)SiC MOSFET原型。

據(jù)介紹，該原型的電場(chǎng)強(qiáng)度比傳統(tǒng)的DMOSFET低40％，電阻低25％，還具有1.2 kV的額定工作電壓，同時(shí)，由于開關(guān)速度更快，能量損耗也降低了50％。

而這次正式宣布量產(chǎn)的產(chǎn)品，與2018年開發(fā)的原型相比，其短路耐受性又提高了20％，而電阻降低了40％，同時(shí)保持了商品化所需的1.2kV耐壓。

另外，TED-MOS還提供了更大的設(shè)計(jì)自由度，從而能夠開發(fā)適合各種用途的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，據(jù)了解，這種結(jié)構(gòu)的制造成本跟現(xiàn)有的碳化硅半導(dǎo)體差不多，因此它也具備價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

日立為什么有信心挑戰(zhàn)其他“大佬”？

先看SiC MOSFET面臨哪些挑戰(zhàn)？

據(jù)日立介紹，SiC的高介電強(qiáng)度是硅的10倍，正常來說它可以承受比硅高10倍的電壓，同時(shí)導(dǎo)通電阻卻可以跟硅一樣。但是，由于SiC MOS結(jié)構(gòu)絕緣膜的絕緣電場(chǎng)相對(duì)較弱，幾乎與硅上的絕緣膜相同， 最終碳化硅的耐壓卻只能跟硅相同。

而且，很多SiC MOSFET采用的是DMOS結(jié)構(gòu)，電流從襯底背面的漏極垂直流向襯底表面，并沿水平方向在襯底表面上流動(dòng)。但是，DMOS結(jié)構(gòu)的橫向電流較小，而且存在較大的溝道電阻和高氧化物電場(chǎng)問題，因此一些企業(yè)開始改用溝槽結(jié)構(gòu)。

溝槽結(jié)構(gòu)的好處是能夠讓電流在垂直方向上流動(dòng)，因此大量的電流可以在較小的區(qū)域中流動(dòng)。不過，溝槽結(jié)構(gòu)也有一個(gè)問題，那就是電場(chǎng)集中在溝槽的底部拐角處發(fā)生（如下圖），從而容易破壞絕緣膜的薄弱部分。 

而且，日立還指出了其他企業(yè)溝槽結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn)，“通過仿真研究了其他公司的溝槽型SiC MOS結(jié)構(gòu)，我們發(fā)現(xiàn)，如果在允許的范圍內(nèi)，他們結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)上沒有問題，他們的SiC MOS晶體管可以在某些條件下提供性能，但是設(shè)計(jì)裕度非常窄。”

為了解決這些問題，日立搞出了溝槽蝕刻雙擴(kuò)散MOS（TED-MOS）結(jié)構(gòu)。

首先，TED-MOS采用新型鰭結(jié)構(gòu)和專有的Hitachi結(jié)構(gòu)（如下圖），該結(jié)構(gòu)在鰭片的側(cè)壁上提供電流路徑，從而可以用較小的溝槽間距來減小電阻，并且在3.3 kV的電壓下工作時(shí)，電場(chǎng)也較小，解決了電場(chǎng)集中在晶面上的溝槽邊緣的問題。

其次，日立還使用場(chǎng)松弛層（FRL）來降低電場(chǎng)強(qiáng)度，并使用電流擴(kuò)散層（CSL）來降低n-JFET區(qū)域中的電阻，從而可以獲得不易破裂且電流容易流動(dòng)的結(jié)構(gòu)。

電裝和富士電機(jī)的溝槽專利竟然這么強(qiáng)？

據(jù)“三代半風(fēng)向”的不完全統(tǒng)計(jì)，目前已經(jīng)有6家企業(yè)量產(chǎn)了溝槽SiC MOSFET。

▲ 2015年，羅姆開始批量生產(chǎn)業(yè)界首個(gè)溝槽型SiC MOSFET，將導(dǎo)通電阻降低了40％。

▲ 2016年P(guān)CIM Asia期間，英飛凌推出1200 V溝槽SiC MOSFET——CoolSiC MOSFET，其導(dǎo)通電阻額定值為45 mΩ。

▲ 2016年，富士電機(jī)開發(fā)了溝槽結(jié)構(gòu)SiC MOSFET，閾值電壓5 V，導(dǎo)通電阻3.5mΩcm²。

▲ 2018年12月，住友電工已經(jīng)開發(fā)出SiC VMOSFET，實(shí)現(xiàn)了1170V/0.63mΩ?cm2的低導(dǎo)通態(tài)電阻。

▲ 2019年9月，三菱電機(jī)宣布開發(fā)出溝槽型SiC MOSFET，導(dǎo)通電阻1.84mΩcm2，擊穿電壓超過1500V。

▲ 2020年12月10日，電裝宣布開始批量生產(chǎn)SiC溝槽MOSFET。

不過，根據(jù)ResearchAndMarkets2019年的專利報(bào)告，電裝在溝槽SiC MOSFET的IP競(jìng)賽中處于領(lǐng)先地位，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他企業(yè)。但富士電機(jī)大量未決專利申請(qǐng)已獲批準(zhǔn)，在未來幾年可能會(huì)超過電裝。

根據(jù)該報(bào)告，與平面SiC MOSFET相比，CREE/Wolfspeed在溝槽式SiC MOSFET中的IP相對(duì)較少，但該公司擁有多項(xiàng)關(guān)鍵專利。

另外，與溝槽SiC MOSFET相關(guān)的大部分專利都涉及保護(hù)柵極氧化物材料免受柵極某些部分中的電場(chǎng)集中的影響。

相關(guān)閱讀：

參編單位集結(jié)號(hào)！2021第三代半導(dǎo)體白皮書調(diào)研啟動(dòng)

“狂砸”260億！追趕Cree英飛凌，韓國(guó)、英國(guó)、臺(tái)灣的模式可以借鑒嗎？

又增3個(gè)第三代半導(dǎo)體重大項(xiàng)目，總投資近16億元！

點(diǎn)擊“閱讀原文”報(bào)名參編白皮書