东芝开发出带有嵌入式肖特基势垒二极管的低导通电阻高可靠性SiC MOSFET

芯TIP

近日，东芝官网消息，公司已经开发了一种碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。该晶体管将嵌入式肖特基势垒二极管(SBD)排列成方格状（方格状嵌入式SBD），以实现低导通电阻和高可靠性。东芝已经证实，与目前的SiC MOSFET相比，这种设计能够在不影响可靠性的前提下，将导通电阻 (RonA)降低约20%。

功率器件是管理电能和减少各种电子设备的功率损耗以及实现碳中和社会的重要组成部分。碳化硅能够提供比硅更高的电压和更低的损耗，是公认的下一代器件材料。尽管碳化硅现阶段的应用主要局限于列车逆变器，但在车辆电气化和工业设备小型化等领域，已经开始出现更广泛的应用。然而，一个亟待解决的问题是：在SiC MOSFET反向操作期间，体二极管中的双极传导会降低电阻，进而造成不良影响。

东芝电子元件及存储装置株式会社开发了一种将SBD嵌入MOSFET的元件结构来抑制体二极管，但发现，用嵌入式SBD取代MOSFET沟道会降低沟道密度并增加导通电阻。这一取舍问题现在已经通过新的嵌入式SBD结构得以解决，东芝证实，该结构能够显著提高性能特性。

通过部署方格状SBD分布，东芝改善了SBD嵌入式SiC MOSFET传导损耗，并实现了良好的二极管导电性。对具有优化设计的1.2kV级SBD嵌入式MOSFET的侧电流特性的评估证实，使用方格设计将嵌入式SBD固定在体二极管附近能够有效限制寄生二极管的双极传导，而反向传导的单极电流限制是由相同SBD面积消耗的电流条状SBD图案设计实现的单极电流限制的两倍。在2.7mΩ・cm2条件下，导通电阻降低约20%。

▲ 1,2kV级SiC MOSFET的特性权衡

如果要在电机驱动应用的逆变器中使用SiC MOSFET，这种经证实的取舍改进将至关重要。东芝正在继续进行评估，以提高动态特性和可靠性，并开发有助于碳中和的有吸引力的高性能功率半导体。

▍东芝传盖新厂增产功率半导体

据日经新闻18日报道，为了应对来自EV的需求增加，东芝计划在旗下姬路半导体工厂厂区内增设生产功率半导体的新厂房，建设将于2024年6月开工，计划于 2025 年春季投产，（预计于2025年4-9月期间启用生产），届时姬路半导体工厂的车用功率半导体产能将扩增至现行的2倍以上水准。

据悉，东芝目前通过半导体事业子公司芝电子元件及存储装置株式会社生产功率半导体，而因来自车厂的环保车相关订单增加，因此研判有必要扩增日本产能。

根据Fuji Keizai 5月23日公布的调查报告指出，因汽车/电子设备需求扩大，2022年全球功率半导体市场规模(包含硅制产品和碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化镓等第三代功率半导体)预估将年增11.8%至2兆3,386亿日圆，且之后市场规模将持续扩大，预估2030年将扩增至5兆3,587亿日圆、将较2021年增加1.6倍(增加约160%)。

其中，2022年硅制功率半导体市场规模预估将年增10.0%至2兆2,137亿日圆，2030年预估将扩大至4兆3,118亿日圆、将较2021年增加1.1倍；2022年SiC等第三代功率半导体市场规模预估将年增58.7%至1,249亿日圆，之后市场规模将呈现急速扩大，预估2030年将达1兆469亿日圆、突破兆圆大关、将较2021年暴增12.3倍。

就第三代功率半导体的细项来看，2022年SiC功率半导体市场规模(包含SiC-SBD、SiC-FET、SiC功率模组)预估将年增59.5%至1,206亿日圆，2030年预估将扩大至9,694亿日圆、将较2021年暴增11.8倍；2022年GaN功率半导体市场规模预估将年增21.9%至39亿日圆，2030年预估将扩大至305亿日圆、将较2021年暴增8.5倍；2022年氧化镓功率半导体市场规模预估为3亿日圆、2030年有望扩大至470亿日圆。

▲ 参考来源：东芝官网｜MoneyDJ

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