日立碳化硅目標(biāo)17.8億元，增長(zhǎng)30倍！它憑什么？

對(duì)于該結(jié)構(gòu)，日立非常有信心，提出了一個(gè)“大目標(biāo)”——2030年要將碳化硅半導(dǎo)體的銷售額提高至17.8億人民幣，達(dá)到2019年度的30倍。并且，日立的目標(biāo)是趕上并超越羅姆、科銳等公司。

TED-MOS結(jié)構(gòu)真的那么牛？今天，“三代半風(fēng)向”跟大家聊聊它究竟有什么特點(diǎn)。

同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，全球已有6家企業(yè)量產(chǎn)了溝槽SiC MOSFET，但相關(guān)專利最強(qiáng)的竟然不是Cree（附在文末）。

2019年度，日立功率半導(dǎo)體的銷售額約為360億日元（約21.38億人民幣），其中，碳化硅半導(dǎo)體的銷售額為10億日元（約5940萬(wàn)元人民幣）。目前僅用于部分鐵路，未來還將面向純電動(dòng)汽車、光伏發(fā)電及電力系統(tǒng)推廣產(chǎn)品。

日立功率半導(dǎo)體認(rèn)為，碳化硅半導(dǎo)體到2023年以后來自純電動(dòng)汽車等的需求將擴(kuò)大，將實(shí)現(xiàn)全面普及。他們的碳化硅半導(dǎo)體的銷售額到2027年度將達(dá)到250億日元（14.85億人民幣），到2030年度提高至300億日元（約17.8億人民幣），是2019年的營(yíng)收的30倍。

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據(jù)介紹，該原型的電場(chǎng)強(qiáng)度比傳統(tǒng)的DMOSFET低40％，電阻低25％，還具有1.2 kV的額定工作電壓，同時(shí)，由于開關(guān)速度更快，能量損耗也降低了50％。

而這次正式宣布量產(chǎn)的產(chǎn)品，與2018年開發(fā)的原型相比，其短路耐受性又提高了20％，而電阻降低了40％，同時(shí)保持了商品化所需的1.2kV耐壓。

另外，TED-MOS還提供了更大的設(shè)計(jì)自由度，從而能夠開發(fā)適合各種用途的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，據(jù)了解，這種結(jié)構(gòu)的制造成本跟現(xiàn)有的碳化硅半導(dǎo)體差不多，因此它也具備價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

而且，很多SiC MOSFET采用的是DMOS結(jié)構(gòu)，電流從襯底背面的漏極垂直流向襯底表面，并沿水平方向在襯底表面上流動(dòng)。但是，DMOS結(jié)構(gòu)的橫向電流較小，而且存在較大的溝道電阻和高氧化物電場(chǎng)問題，因此一些企業(yè)開始改用溝槽結(jié)構(gòu)。

溝槽結(jié)構(gòu)的好處是能夠讓電流在垂直方向上流動(dòng)，因此大量的電流可以在較小的區(qū)域中流動(dòng)。不過，溝槽結(jié)構(gòu)也有一個(gè)問題，那就是電場(chǎng)集中在溝槽的底部拐角處發(fā)生（如下圖），從而容易破壞絕緣膜的薄弱部分。 

而且，日立還指出了其他企業(yè)溝槽結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn)，“通過仿真研究了其他公司的溝槽型SiC MOS結(jié)構(gòu)，我們發(fā)現(xiàn)，如果在允許的范圍內(nèi)，他們結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)上沒有問題，他們的SiC MOS晶體管可以在某些條件下提供性能，但是設(shè)計(jì)裕度非常窄。”

為了解決這些問題，日立搞出了溝槽蝕刻雙擴(kuò)散MOS（TED-MOS）結(jié)構(gòu)。

首先，TED-MOS采用新型鰭結(jié)構(gòu)和專有的Hitachi結(jié)構(gòu)（如下圖），該結(jié)構(gòu)在鰭片的側(cè)壁上提供電流路徑，從而可以用較小的溝槽間距來減小電阻，并且在3.3 kV的電壓下工作時(shí)，電場(chǎng)也較小，解決了電場(chǎng)集中在晶面上的溝槽邊緣的問題。

其次，日立還使用場(chǎng)松弛層（FRL）來降低電場(chǎng)強(qiáng)度，并使用電流擴(kuò)散層（CSL）來降低n-JFET區(qū)域中的電阻，從而可以獲得不易破裂且電流容易流動(dòng)的結(jié)構(gòu)。

▲ 2016年P(guān)CIM Asia期間，英飛凌推出1200 V溝槽SiC MOSFET——CoolSiC MOSFET，其導(dǎo)通電阻額定值為45 mΩ。

▲ 2016年，富士電機(jī)開發(fā)了溝槽結(jié)構(gòu)SiC MOSFET，閾值電壓5 V，導(dǎo)通電阻3.5mΩcm²。

▲ 2018年12月，住友電工已經(jīng)開發(fā)出SiC VMOSFET，實(shí)現(xiàn)了1170V/0.63mΩ?cm2的低導(dǎo)通態(tài)電阻。

▲ 2019年9月，三菱電機(jī)宣布開發(fā)出溝槽型SiC MOSFET，導(dǎo)通電阻1.84mΩcm2，擊穿電壓超過1500V。

▲ 2020年12月10日，電裝宣布開始批量生產(chǎn)SiC溝槽MOSFET。

不過，根據(jù)ResearchAndMarkets2019年的專利報(bào)告，電裝在溝槽SiC MOSFET的IP競(jìng)賽中處于領(lǐng)先地位，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他企業(yè)。但富士電機(jī)大量未決專利申請(qǐng)已獲批準(zhǔn)，在未來幾年可能會(huì)超過電裝。

根據(jù)該報(bào)告，與平面SiC MOSFET相比，CREE/Wolfspeed在溝槽式SiC MOSFET中的IP相對(duì)較少，但該公司擁有多項(xiàng)關(guān)鍵專利。

另外，與溝槽SiC MOSFET相關(guān)的大部分專利都涉及保護(hù)柵極氧化物材料免受柵極某些部分中的電場(chǎng)集中的影響。