半导体芯片技术的发展使得功率器件能够有效的利用电能，比如晶闸管和二极管，在电压和电流控制方面起到了关键的作用。相对目前广泛应用的Si半导体芯片，宽禁带半导体SiC芯片可以改进产品的性能并降低损耗。SiC材料具有良好的物理特性，与传统器件相比，SiC器件可以降低50-70%的损耗并且可以在更高的频率下工作。在系统中采用SiC器件，可以降低产品的功率损耗，也可以减小冷却系统和被动元件的体积。
SiC功率器件的使用可以节省能源和资源，三菱电机一直持续的对其性能进行改进并降低损耗。本文总结了SiC芯片最新的发展状况。
2. SiC 芯片的发展
2.1 第二代平面型MOSFETs
利用我司最新的6英寸SiC晶圆生产线，我们已经开发出了第二代金属氧化物场效应晶体管(MOSFETs)。对于平面栅MOSFETs，通过使用结型场效应晶体管掺杂技术对MOS的元胞结构进行了优化，降低了导通电阻和电容。例如图1所示，为耐压1200V的第二代平面栅MOSFETs的导通特性，图2为其开关损耗与栅极电阻之间的关系曲线。为了方便比较，图中也给出了第一代MOSFETs在相同区域内的曲线。对于第二代MOSFETs，由于缩小了元胞间距和采用了其它的改进措施，其导通电阻大约降低了15%。在图2中可以看出，由于降低了电容和采用了其它的改进措施，使得第二代MOSFETs开关速度更快，开关损耗明显降低。另外，6英寸SiC晶圆生产线可以使晶圆的厚度更薄，从而降低导通电阻，薄晶圆已经在第二代平面栅MOSFETs中开始应用。
目前，我们已经开发出了耐压从600V到3300V多种类别的第二代平面栅MOSFETs，并且成功的实现了功率模块的商业化。
图1. 第二代平面型MOSFET导通特性
图2. 第二代平面栅MOSFET开关损耗
2.2 新型沟槽型MOSFETs
我们通过采用专有的结构开发出了搭载沟槽栅MOSFETs功率模块。由于SiC材料的物理特性，SiC芯片上的电场强度不可避免的增加，尤其是位于沟槽底部栅极氧化层上的电场强度变高了，因此，不同于Si沟槽栅MOSFETs，SiC-MOSFETs需要特殊的考虑。图3 描述了我们开发的沟槽栅MOSFETs的结构。为了削弱作用在沟槽底部栅极氧化层上的电场强度，在沟槽的下面部分设置了底部P层(BPW)，为了稳定BPW部分的电势，p型掺杂离子是沿沟槽侧壁斜向注入的。在沟槽侧壁电流流过的部分，成角度的n型掺杂离子注入可以降低电阻。图4展示了室温下沟槽栅MOSFETs样片的导通电阻。图5展示了其耐压特性。与平面栅MOSFETs相比，沟槽栅MOSFETs的通态比电阻在1.84mΩ·cm2时降低了大约50%，雪崩电压设计为1560V。
沟槽型MOSFETs的低导通电阻特性将来会被用来减小芯片的尺寸，降低损耗，增加模块的电流等级。
图3. 沟槽型MOSFET剖面结构图
图4. 平面型和沟槽型MOSFET导通电阻对比
图5. 沟槽型MOSFET关断状态特性
2.3 集成SBD的MOSFETs MOSFETs
内部存在体二极管，由于其结构特性，电流可以反向流过MOSFETs，体二极管可以用来作为换流二极管。然而，对于SiC-MOSFETs来说，当体二极管导通的时候，其导通压降有时会增加。对于高耐压且面积较大的MOSFETs来说，SBD( Schottky Barrier Diode)作为换流二极管时需要连成一排，体二极管需要进行筛选测试，从而避免正向压降的增加。
对于耐压在3300V或更高的MOSFETs，我们开发了内置SBD芯片的MOSFETs，其SBD内置于MOSFETs的单位元胞内，无需外置SBD以及对体二极管进行筛选。当电流反向流过内置SBD的MOSFETs时，电流从从漂移层流过所引起的压降比体二极管PN结压降低，体二极管不再流过电流。
图6展示了内置SBD的MOSFETs样片的导通特性曲线。其导通特性与常规的通过栅极电压控制的MOSFETs相似。因为内置SBD占用的电极面积很小，因此MOSFET导通电阻增加的很小。图7展示了当MOSFETs的栅极电压在-5V(关断)和15V(开通)时内置SBD的MOSFETs反向电流导通特性。数据显示当电压在大约1V时(SBD的扩散电压)，单极性电流开始线性增加。当MOSFETs的栅极设置为开通时，流过MOSFETs通道的电流叠加在SBD电流上，明显降低了导通电阻。
通过应用内置SBD的MOSFETs模块可以省略掉成排的外置SBDs, 可以简化测试，缩小模块的尺寸降低成本。
图6. 内置SBD的MOSFET导通特性
图7. 内置SBD的MOSFET反向电流导通特性
3 结论
我们会持续地对第二代平面栅SiC-MOSFETs、沟槽栅SiC-MOSFETs和内置SBD的SiC-MOSFETs进行研究开发，进一步改进功率器件的表现。我们希望利用SiC的产品特性来降低各种系统中能源和资源的损耗。
