国立先进产业科学技术研究所 [主席：石村和彦]（以下简称“AIST”）先进电力电子研究中心[研究中心主任：Hiroshi Yamaguchi] 功率器件团队 Mitsuo Okamoto，首席研究员，Shinsuke Harada，研究组组长，电源电路集成组：Atsushi Yao，研究员，Hiroshi Sato，研究组组长碳化硅 (SiC) 半导体、耐压12kV级立式MOSFET和CMOS组成驱动电路集成在同一芯片上单片电源IC全球首次并确认了其切换操作。
SiC单片电源IC是电力转换设备更小、更轻、降低损耗，由于SiC CMOS同时实现高输出电流和高电压绝缘的艰巨任务，迄今为止还无法实现这一目标。此次，AIST开发了AIST独有的新器件结构，成功同时实现了SiC CMOS的高电压隔离和高输出电流。基于该技术，我们开发了在同一芯片上集成了CMOS驱动电路和SiC垂直MOSFET的SiC单片功率IC，并在世界上首次演示了开关操作。此次开发的技术是一项成果，开辟了SiC传感器和SiC逻辑电路等功能集成的道路，预计将扩大其在电力转换设备中的用途。
这项技术的详细信息将于 2021 年 5 月 30 日至 6 月 3 日在线举行的第 33 届功率半导体器件和 IC 国际研讨会 (ISPSD) 上公布。
开发的SiC单片功率IC及其等效电路的显微照片
近年来，全球变暖问题日益严重，节能（CO2减少）是迫切需要。电力电子技术负责电能的转换和控制，是实现家用电器和工业设备节能的关键技术之一。为了在2050年实现碳中和，需要在各地引进大量应用电力电子技术的电力转换设备。减小功率转换设备的尺寸、重量、性能和功能对于扩大功率转换设备的应用并大量引入它非常重要，而发挥核心作用的功率器件的创新至关重要。
与传统上用作功率器件材料的Si相比，SiC具有优越的物理性能，并且能够以较低损耗处理大电流和高电压的SiC垂直MOSFET已经投入实际应用。另一方面，由于SiC单片功率IC的制造难度较大，因此相关报道甚少。特别是，迄今为止还没有实现能够实现简单的电路结构并配备有低功耗CMOS驱动电路的SiC单片电源IC。其主要原因是，即使在高电压下也不会击穿的SiC CMOS驱动电路的输出电流较小，因此难以切换SiC垂直MOSFET。
AIST 一直致力于 SiC 功率器件的量产技术开发。第一代结构独特的SiC功率MOSFET（晶体管）IE-MOSFET，第二代IE-UMOSFET此外，我们还对用作驱动电路的SiC CMOS进行研究，开发制造工艺的基础技术并评估特性。此外，我们一直在研究和开发使用SiC功率器件的开关技术。现在，通过结合这些研究成果，我们开发了在同一芯片上集成 IE-UMOSFET 和 SiC CMOS 的 SiC 单片功率 IC，并演示了其开关操作。
这项研究和开发得到了 NEDO 领先研究计划/能源和环境新技术领先研究计划（2020-2021）的支持，该项目是新能源和产业技术开发组织委托的项目。
AIST现已开发出一种SiC单片功率IC，将垂直MOSFET和CMOS驱动电路集成在同一芯片上。概念图如图1所示。传统上，CMOS驱动电路和垂直MOSFET被分离到单独的芯片中，并且它们的信号布线通过金属线或印刷电路板完成。由于垂直MOSFET施加高电压，因此需要与CMOS驱动电路足够的绝缘距离，这是阻碍功率转换设备变得更小、更轻的一个因素。此外，信号线路中存在的寄生电感（非预期的电感成分）会对开关操作产生不利影响，导致损耗增加。所开发的单片电源IC在同一芯片上集成了垂直MOSFET和CMOS驱动电路，最大限度地缩短了信号布线长度，从而可以减小尺寸和重量，并减少寄生电感。
图1 已开发的单片电源IC技术的概念图
图2显示了所开发的SiC单片电源IC的特性。如图2(a)所示，SiC单片功率IC由两个区域组成：垂直MOSFET区域和CMOS驱动电路区域。立式MOSFET采用产研社开发的IE-UMOSFET。 CMOS驱动电路与IE-UMOSFET形成在同一p型层上，我们成功地实现了（1）增加p型MOSFET输出电流和（2）高耐压。下面具体说明两点。
(1) p型MOSFET输出电流增加：一般来说，SiC CMOS的问题是p型MOSFET输出电流远低于n型MOSFET输出电流，这一直是SiC CMOS驱动电路实现开关操作的障碍。我们相信IE-UMOSFET的p型层具有高晶体质量外延膜的特性，不改变制造工艺外延嵌入式通道成立了。结果，我们成功地将 p 型 MOSFET 的输出电流提高了四倍（图 2(b)）。
(2)耐压：通过与IE-UMOSFET共同耐压结构形成SiC CMOS，我们成功地将CMOS驱动电路与1500V的漏极电压隔离，而无需增加新的制造工艺（图2（c））。
图2(a)截面示意图，(b)外延埋沟道的影响，(c)新开发的SiC单片功率IC的耐压特性
图3显示了所制造的SiC单片电源IC的开关操作波形。开关动作的漏极电压为600V，漏极电流为10A。获得了从导通状态到截止状态（关断）的开关动作波形以及从截止状态到导通状态（导通）的开关动作波形，是世界上首次使用SiC单片功率IC进行开关动作的演示。
图3 SiC单片功率IC的开关工作波形
(a)关断波形，(b)开启波形
未来，我们的目标是进一步提高SiC CMOS驱动电路的输出电流，实现SiC单片功率IC的高速开关。此外，通过集成传感器、逻辑电路等并推进更高功能，将提高便利性，并有助于扩大电力转换设备的应用范围。