成功开发了SiC单片功率集成电路 - -世界第一！ 将SiC纵型MOSFET和SiC CMOS单片集成化-

成功开发了SiC单片功率集成电路

 - -世界第一！ 将SiC纵型MOSFET和SiC CMOS单片集成化-

重点

将SiC立式MOSFET和SiC CMOS集成在一个芯片上，验证了开关动作 通过开发独特的器件结构，使SiC CMOS的输出电流增大和与高电压的绝缘并存 通过小型轻量化、高性能化、高功能化，期待扩大电力转换设备的应用领域

概要 国立研究开发法人产业技术综合研究所【理事长石村和彦】(以下称为“产总研”)先进功率电子研究中心【研究中心长山口浩】功率器件团队冈本光央主任研究员、原田信介研究小组长、功率电路集成小组姚惇研究员、佐藤弘研究小组组长， 使用碳化硅( SiC )半导体，在世界上首次实现了将耐电压1.2 kV级的纵型MOSFET和由CMOS构成的驱动电路集成在同一芯片上的单片功率IC，确认了其开关动作。 虽然SiC单片功率IC能够对电力转换设备的小型轻量化和损耗降低等做出贡献，但是存在SiC CMOS的输出大电流化和与高电压的绝缘并存的困难课题，迄今为止还没有实现。 这次，重新开发了产综研独自的器件结构，在SiC CMOS的高电压绝缘的基础上同时成功实现了输出电流的增大。 基于该技术，制作了将CMOS驱动电路与SiC纵型MOSFET集成在同一芯片上的SiC单片功率IC，在世界上首次证实了开关工作。 此次开发的技术是在SiC传感器和SiC逻辑电路等的功能集成方面开拓道路的成果，电力转换设备用途的扩大值得期待。 另外，该技术的详细情况将在2021年5月30日~ 6月3日在线举办的the 33rd国际系统电源半导体设备与ics ( ispsd )上发表。

开发的SiC单片功率IC的显微镜照片及其等效电路

开发的社会背景 近年来，全球变暖问题越来越严重，社会整体的节能化(削减CO2 )已成为当务之急。 进行电力能源转换控制的电力电子技术是能够实现家电产品和工业用设备等的节能化的关键技术之一。 为了实现2050年的碳中和，有必要在各个地方大量导入应用了电力发电技术的电力转换设备。 电力转换设备的小型轻量化、高性能化、高功能化在扩大电力转换设备的应用领域、大量引进方面很重要，作为其核心的功率设备的革新不可或缺。 SiC具有比以往作为功率器件材料使用的Si优越的物性，能够以更低的损耗处理大电流·高电压的SiC立式MOSFET已经实现了实用化。 另一方面，关于SiC单片功率IC，由于制造难度，几乎没有报道。 特别是，能够进行简单的电路构成，而且搭载低功耗的CMOS驱动电路的SiC单片功率IC迄今为止还没有实现。 其最大的理由是，被设计为即使在高电压下也不会损坏的SiC CMOS驱动电路的输出电流小，难以使SiC纵型MOSFET进行开关动作。 研究的经过 产业综合研究所推进了面向SiC功率器件批量生产的技术开发。 迄今为止，作为独特结构的SiC功率MOSFET (晶体管)，开发了第一代IE-MOSFET、第二代IE-UMOSFET。 另外，作为有关作为驱动电路使用的SiC CMOS的研究，还进行了制造工艺的要素技术开发和特性评价。 并且，还对使用了SiC功率器件的交换技术进行了研究开发。 此次，凝聚了这些研究成果，开发了在同一芯片上集成了IE-UMOSFET和SiC CMOS的SiC单片功率IC，证实了开关动作。 另外，本研究开发得到了国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构的委托事业“NEDO先导研究计划/能源环境新技术先导研究计划( 2020~2021年度)”的支援。 研究的内容 此次，产业综合研究所开发了将纵型MOSFET和CMOS驱动电路集成在同一芯片上的SiC单片功率IC。 其概念图如图1所示。 以往，CMOS驱动电路和纵型MOSFET被分成不同的芯片，其信号布线通过金属线和印刷基板等进行。 由于向纵型MOSFET施加高电压，因此需要与CMOS驱动电路充分的绝缘距离，这是阻碍电力转换设备小型轻量化的主要原因。 另外，由于信号布线中存在的寄生电感(意想不到的感应成分)，开关动作受到不良影响，成为损失增大的原因。 开发的单片功率IC通过将纵型MOSFET和CMOS驱动电路集成在同一芯片上，可以使信号布线长度最小化，因此可以实现小型轻量化和降低寄生电感。

图1开发的单片功率集成电路技术的概念图

开发的SiC单片功率IC的特征如图2所示。 如图2(a )所示，SiC单片功率IC由纵型MOSFET区域和CMOS驱动电路区域两个区域构成。 纵型MOSFET采用了产业综合研究所开发的IE-UMOSFET。 CMOS驱动电路形成在与IE-UMOSFET共同的p型层上，成功实现了(1) p型MOSFET输出电流增大和(2)耐电压这两点。 以下记述两点具体内容。 (1) p型MOSFET输出电流增大:一般来说，SiC CMOS的问题是p型MOSFET输出电流比n型MOSFET输出电流差很多，这阻碍了通过SiC CMOS驱动电路实现开关动作。 我们利用IE-UMOSFET的p型层由高结晶质量的外延膜形成的特点，几乎不改变制造工艺就形成了外延嵌入通道。 由此，成功地将p型MOSFET输出电流增大到4倍(图2(b ) )。 (2)耐电压:通过在与IE-UMOSFET共同的耐电压结构内形成SiC CMOS，不追加新的制造工艺，成功地使CMOS驱动电路与1500 V的漏极电压绝缘(图2(c ) )。

图2此次开发的SiC单片功率IC的( a )截面示意图、( b )外延埋入通道的效果、( c )耐电压特性

制作的SiC单片功率IC的开关动作波形如图3所示。 在漏极电压600 V、漏极电流10 A下进行了开关动作。 得到了从导通状态到截止状态的开关动作(关断)以及从截止状态到导通状态的开关动作(导通)这两个波形，在世界上首次证实了基于SiC单片功率IC的开关动作。

图3 SiC单片功率IC的开关动作波形 ( a )关闭波形、( b )打开波形

今后的计划 今后，将进一步增大SiC CMOS驱动电路的输出电流，以实现SiC单片功率IC的高速转换为目标。 此外，还集成了传感器和逻辑电路等，通过推进高功能化，提高了便利性，为扩大电力转换设备的应用场所做出了贡献。

用语说明 ◆碳化硅( SiC )半导体 由碳( c )和硅( Si )组成的化合物半导体。 与以往的Si半导体相比，与功率器件特性提高相关的物性值优异。 将SiC用于功率器件时，可以获得比Si的器件高1个数量级的耐压，因此有望成为下一代的功率器件用材料。 

 ◆纵型MOSFET MOSFET是指金属/氧化膜/半导体场效应晶体管( metal/oxide/semiconductor field effect transistor )。 通过控制电极(栅极)的电压改变内部的导通状态，控制晶体管的输入电极(源极)和输出电极(漏极)之间的切换状态(内部电路的接通断开的状态)。 根据使用的半导体的传导型，有在正的控制电压下工作的n型MOSFET和在负的控制电压下工作的p型MOSFET两种。 在SiC功率器件中，一般使用n型MOSFET，源极和栅极电极配置在基板的表面侧，漏极电极配置在基板的背面侧的纵向结构。 

 ◆计算机辅助教学 互补型MOS。 由p型MOSFET和n型MOSFET组合而成的电子电路。 一方处于接通状态时，另一方成为断开状态，进行互补动作。 具有功耗低、电路结构简单等多种优点。 另外，是所有的电极都被配置在基板的表面侧的卧式结构。 

 ◆驱动电路 用于生成向MOSFET的控制电极(栅极)发送的信号的电子电路。 

 ◆单片功率集成电路 将作为主器件的功率器件和驱动电路等外围电路集成在同一芯片上的集成电路( IC )。 返回参照源 ◆电力转换设备 利用由半导体晶体管形成的功率器件的开关(内部电路的开关)，负责电力转换(直流交流转换和电压转换)和控制的设备。 

 ◆ie -移动 由被称为Implantation and Epitaxial MOSFET的产业综合研究所开发的SiC立式MOSFET。 具有在表面上平面地形成由控制电极(栅极)控制开关状态的半导体区域(沟道)的平面型结构。 通过在高质量结晶区域形成沟道，降低了导通状态下的电阻。 

 ◆IE-UMOSFET 由被称为implantation & epitaxial trench MOSFET的产综研开发的SiC立式MOSFET。 具有在表面设置的槽(沟槽)的侧壁形成了由控制电极(栅极)控制开关状态的半导体区域(沟道)的沟槽型结构。 这是在IE-MOSFET中应用沟槽型的结构，大幅降低了导通状态下的电阻。 

 ◆外延膜 以继承基底晶体结构的方式进行晶体生长(外延生长)的薄膜。 具有高结晶性，结晶缺陷少。 通过在生长时导入杂质，可以控制n型、p型的传导型。 

 ◆外延嵌入通道 由MOSFET的控制电极(栅极)控制开关状态的半导体区域称为沟道，将使沟道区域的杂质浓度变化的半导体区域称为嵌入沟道。 引入该开关是为了改善开始从截止状态转换到导通状态的控制电压(阈值栅极电压)和导通状态下的电流的容易流动性(沟道迁移率)。 将由外延膜形成的该嵌入通道称为外延嵌入通道。 由于外延膜的高结晶性，改善效果较高，但是通常需要追加外延生长，制造工艺负荷较大。