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    硅基超級結器件——中高壓功率器件市場大混戰中的性價比贏家


    2015-08-04 仲雪倩 ZJU功率電子器件實驗室


        目前硅基超級結功率MOSFET的產品覆蓋500~900V的電壓等級,而這恰巧是功率器件市場選擇最豐富,競爭最激烈的區域。前有Si-IGBTPlanar-MOSFET低成本成熟技術的強力擠壓,后有寬禁帶半導體SiC-FET, lateral GaN-HEMTs的圍追堵截,Si SJ為何能在有限的中高壓功率器件市場上分得一杯羹?這將是本文主要思考的問題。


    Cost & Price is always of primary concern. So,leave all the technique issues alone, 我們先來談錢。表1對比了Si SJGaN HEMTSiC FETs主要成本相關的數據。12英寸的大批量生產無疑是Si SJ的最大成本優勢。而其最大的成本劣勢在于極高的工藝成本,甚至明顯高于寬禁帶半導體。工業界主要有兩種主流工藝,如圖1所示:一是multi-epi工藝,這套工藝十分復雜,而且擴散作用使得cell pitch受到限制;二是深槽工藝,Infineon CoolMOS的最新系列C7就是采用這套工藝,cell pitch可以做到5um以下,成本也顯然比多次外延加注入具有更大優勢。目前,SiC SJ坐擁$600M/year的市場,占整個discrete MOSFET ($1.8B/year)市場的1/3。隨著工藝成本的不斷降低,Si SJ正在逐步取代standard planar MOSFET。但同時,在過去的十年中,SiC材料average annual cost down高達12%,這使其競爭力不斷增強。盡管短期內這并不會威脅到Si SJ成本最低的地位,但是二者之間的差距必將會越來越小。


    1 幾種器件的成本對比


    1 Si SJ工業界的兩種主流工藝


    接下來,我們來關注Si SJ的性能,以最卓越的Infineon CoolMOS C7650V)為標桿。圖2給出了 Infineon CoolMOS family歷年來600V/650V產品的最優RDS,on*A進化歷程,C7已經達到了1Ω.mm2的水平。盡管650V SiC FETsRDS,on*A可以達到低于5倍的水平,但這不足以彌補SiC的高成本短板。在目前超結器件還無法達到的大于1200V的應用中,SiC FETs會凸顯它導通電阻的絕對優勢。對于GaN而言,GaN-on-Si是唯一具有成本競爭力的襯底選擇,但是目前仍飽受高缺陷密度的困擾,導致實際可用電壓遠低于標稱擊穿電壓600V,這也使它目前還無法威脅600V/650V Si SJ的地位。


    2 The evolution of RDS,on*A ofInfineon CoolMOS family over time for best available 600V/650V devices


    3 Eoss comparison of Si SJ, SiC, GaN device


    超級結的引入帶來了明顯的die size shrink, 這對于器件開關特性大有裨益,但卻給器件散熱及可靠性帶來了很大的壓力。一方面,器件雪崩耐量,過壓/過流保護能力受到限制;另一方面,封裝寄生電感和EMI問題限制了最高dV/dtdI/dt, Si SJ如果要發揮Si SJ的開關特性的優勢,必須優化封裝。封裝可靠性也是SiCGaN面臨的共同問題。


    最后,引用Infineon的資深專家O. Haberlen的話作為結語,”In the 600V to 1200V blocking range this results in avery competitive situation with no clear long term winner identified today. Therace will be decided individually depending on the target application.”

     

    作者簡介:仲雪倩,PEDL功率電子器件實驗室12級博士研究生(浙江大學直博3年級生)。主要研究領域為寬禁帶半導體材料碳化硅基半導體器件的結構,工藝以及器件應用。曾在TSMC(上海)參與臺積電600V硅基超級結MOSFET的產品研發并承擔關鍵工藝研究工作一年。目前已發表核心SCI期刊(IEEE PowerElectronics)一篇,SCI期刊(MicroelectronicsReliability)一篇,多次參與包括APECISPSD等專業領域內頂級國際會議并刊發文章。目前從事碳化硅超級結結構的工藝設計與器件制造相關研究。


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