日本產綜研成功開發SiC單片功率IC

日本產業技術綜合研究所（產綜研）於2021年5月宣佈，利用SiC（碳化矽）半導體，開發出將縱向MOSFET和CMOS驅動電路整合在一個晶片中的SiC單片功率IC，確認了該開關動作。這是世界上首次實現SiC單片功率IC。

什麼是MOSFET？

數字科技的進步，如微處理器運算效能不斷提升，帶給深入研發新一代MOSFET更多的動力，這也使得MOSFET本身的操作速度越來越快，幾乎成為各種半導體主動元件中最快的一種。MOSFET在數字訊號處理上最主要的成功來自CMOS邏輯電路的發明，這種結構最大的好處是理論上不會有靜態的功率損耗，只有在邏輯閘（logic gate）的切換動作時才有電流透過。

什麼是CMOS？

CMOS邏輯閘最基本的成員是CMOS反相器（inverter），而所有CMOS邏輯閘的基本操作都如同反相器一樣，在邏輯轉換的瞬間同一時間內必定只有一種電晶體（NMOS或是PMOS）處在導通的狀態下，另一種必定是截止狀態，這使得從電源端到接地端不會有直接導通的路徑，大量節省了電流或功率的消耗，也降低了積體電路的發熱量。

到目前為止，產綜研已經開發出了IE-MSFET（Implantion＆Epitaxial MOSFET）和IE-MOSFET（Implantion＆Epitaxial Trench MOSFET）作為獨立結構的SiC縱向功率MOSFET。另外，還致力於作為驅動電路使用的SiC CMOS的要素技術開發、以及使用SiC功率器件的開關技術的研究等。這次總結了這些研究成果。

開發的碳化矽單片功率IC在一個晶片上集成了IE-U MOSFET和碳化矽CMOS驅動電路。作為縱型MOSFET採用的IE-U MOSFET具有在表面設定的槽的側壁上形成半導體區域（溝道）的結構，據說導通狀態下的電阻大幅降低。 CMOS 驅動電路形成在 IE-U MOSFET 共用的 p 型層上。

透過這樣的配置，同時實現了“增加p型MOSFET的輸出電流”和“高壓絕緣”。在一般的 SiC CMOS 中，p 型 MOSFET 的輸出電流明顯不如 n 型 MOSFET 的輸出電流。在這次使用的IE-U MOSFET中，p型層由具有高晶體質量的外延膜形成，據說可以在幾乎不改變製造工藝的情況下建立外延嵌入溝道。因此，p 型 MOSFET 的輸出電流可以增加到以前的四倍。

透過在與IE-MOSFET共同的耐電壓結構內形成SiC CMOS，將CMOS驅動電路與1500V的漏極電壓絕緣。因此沒有必要追加新的製造過程。

產綜研今後將進一步加大SiC CMOS驅動電路的輸出電流，以實現SiC單片功率IC的高速切換為目標。此外，還將致力於感測器和邏輯電路等的整合化。

此次的研究成果是產綜研先進功率電子研究中心功率器件組的岡本光央主任研究員和原田信介研究小組組長、功率電路整合隊的八尾淳研究員、佐藤弘研究小組組長等人的研究成果。