東芝半導(dǎo)體：結(jié)構(gòu)創(chuàng)新賦能，功率器件性能躍升，助力新能源發(fā)展

近幾年隨著新能源汽車以及清潔能源、儲(chǔ)能等需求增長(zhǎng)，功率器件受到了市場(chǎng)更多的關(guān)注。8月28至30日在深圳國(guó)際會(huì)展中心舉行的國(guó)際電力元件、可再生能源管理展會(huì)PCIM Asia2024上，眾多海內(nèi)外功率半導(dǎo)體廠商都展示出最新的技術(shù)和產(chǎn)品。在本次展會(huì)上，電子發(fā)燒友網(wǎng)探訪了東芝半導(dǎo)體的展臺(tái)，了解到東芝在大功率器件以及第三代半導(dǎo)體方面的新品和技術(shù)。

大功率器件IEGT

東芝在這次展會(huì)上展出了其最新的大功率器件IEGT(柵極注入增強(qiáng)型晶體管)，在3300V至6500V的規(guī)格內(nèi)新增了多款產(chǎn)品，以滿足不同客戶、不同應(yīng)用的需求，包括ST1000GXH35、ST1500GXH35A等型號(hào)。

東芝IEGT

據(jù)東芝電子元件(上海)有限公司技術(shù)部副總監(jiān)屈興國(guó)介紹，IEGT是東芝在20世紀(jì)90年代末注冊(cè)的專利名稱，是基于IGBT的一種功率器件技術(shù)，主要被用于柔性直流輸配電、列車牽引、高壓變頻器、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域。

在高壓應(yīng)用中，傳統(tǒng)的IGBT結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的阻斷電壓，會(huì)因?yàn)榘l(fā)射極側(cè)N基區(qū)的電阻，造成較高的導(dǎo)通損耗。為了解決這個(gè)問(wèn)題，東芝在IGBT的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出柵極注入增強(qiáng)的技術(shù)，制造出IEGT。根據(jù)東芝官網(wǎng)的描述，該結(jié)構(gòu)設(shè)置了深而寬的溝槽柵電極，所以，穿過(guò)發(fā)射極電極的阻抗會(huì)變大，將有效抑制載流子的穿越。其結(jié)果是會(huì)造成載流子蓄積，N 基區(qū)的載流子分布在發(fā)射極電極側(cè)將不斷增加。我們把這種載流子的注入蓄積效果稱之為注入增強(qiáng)效果(Injection Enhancement Effect)。采用這種柵結(jié)構(gòu)之后，即使是實(shí)現(xiàn)了耐高壓也可有效抑制電壓降的增大，從而降低導(dǎo)通損耗。

在現(xiàn)場(chǎng)展示的大功率IEGT采用PPI壓接式封裝，電壓等級(jí)最高達(dá)到6500V，最大電流等級(jí)達(dá)到3000A。而采用PPI壓接式封裝的IEGT共有兩種類型，分別是內(nèi)置二極管以及不帶二極管的類型，主要差異在于應(yīng)用對(duì)于電流的需求。屈興國(guó)舉例，在一個(gè)125毫米平臺(tái)的PPI封裝中總共有42個(gè)小方格，比如中間放了30顆IEGT，其他12個(gè)方格放了二極管，那么最大電流可以做到2000A;如果客戶電流需求更大，比如3000A，那么就需要在42個(gè)方格中全部放上IEGT芯片，另外在外圍再搭配所需二極管。

對(duì)于客戶而言，壓接式封裝器件可能較難使用，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，東芝與第三方共同開(kāi)發(fā)了半橋拓?fù)涞腎EGT壓接組件方案，采用了兩顆4.5kV/2kA/內(nèi)置二極管的壓接式IEGT，該裝置為器件提供5KN左右的壓力，適用于新客戶進(jìn)行雙脈沖測(cè)試，以便客戶能夠快速了解東芝器件的性能，從而縮短開(kāi)發(fā)周期，具備高可靠性和高效率。

另外東芝還展出了4.5 kV雙柵極RC-IEGT，主要特點(diǎn)是在IEGT模式下可降低關(guān)斷損耗，在二極管模式下能減少反向恢復(fù)損耗，同時(shí)結(jié)合柵極控制技術(shù)，實(shí)際測(cè)量值中總開(kāi)關(guān)損耗可降低16%，而導(dǎo)通損耗沒(méi)有任何增加。

碳化硅模塊以及內(nèi)置SBD的碳化硅MOSFET

據(jù)介紹，東芝在碳化硅領(lǐng)域的布局是先做碳化硅模塊再推進(jìn)單管產(chǎn)品。碳化硅模塊產(chǎn)品量產(chǎn)時(shí)間相對(duì)較早，目前主要是針對(duì)軌道交通等牽引應(yīng)用。目前東芝量產(chǎn)的碳化硅模塊產(chǎn)品已經(jīng)覆蓋1200V、1700V、2200V、3300V電壓等級(jí)，并采用了一種名為iXPLV的銀燒結(jié)技術(shù)。

在碳化硅MOSFET上，東芝目前已經(jīng)迭代到第三代碳化硅MOSFET產(chǎn)品，主要面向充電樁、數(shù)據(jù)中心、新能源發(fā)電、電機(jī)等應(yīng)用。東芝的碳化硅MOSFET與其他公司產(chǎn)品的最大區(qū)別是內(nèi)置了SBD，而非使用本體PN結(jié)二極管。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于，內(nèi)置的SBD通態(tài)電壓更低，因此電流會(huì)從SBD中通過(guò)，從而抑制導(dǎo)通電阻早期的漂移、MOSFET雙極退化、大大提高了器件的可靠性。

在第二代的基礎(chǔ)上，東芝第三代碳化硅MOSFET再通過(guò)優(yōu)化單元結(jié)構(gòu)，令代表導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗之間關(guān)系的性能指標(biāo)RDS(ON)×Qgd，相比東芝現(xiàn)有的第二代碳化硅MOSFET降低80%。同時(shí)東芝第三代碳化硅MOSFET柵源控制電壓范圍是-10至25 V，比其他公司產(chǎn)品的電壓范圍更寬，從而提高了便利了客戶的柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

對(duì)于近年熱門的電動(dòng)汽車市場(chǎng)，東芝在各種車規(guī)分立器件上一直都有穩(wěn)定的出貨;在碳化硅方面，屈興國(guó)表示東芝在國(guó)內(nèi)更加傾向于晶圓銷售的模式，比如將碳化硅晶圓出售給模塊廠商進(jìn)行封裝，這也是應(yīng)對(duì)目前碳化硅器件市場(chǎng)內(nèi)卷的一種方式。

小結(jié)：

在PCIM Asia2024上可以看到，東芝半導(dǎo)體在傳統(tǒng)的大功率硅基功率器件上持續(xù)保持創(chuàng)新，并應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求不斷推出新的型號(hào)，展現(xiàn)出老牌功率半導(dǎo)體廠商的實(shí)力;而在第三代半導(dǎo)體方面，東芝半導(dǎo)體也通過(guò)器件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，為市場(chǎng)帶來(lái)了差異化產(chǎn)品，滿足了更多不同客戶的需求。隨著清潔能源需求的不斷增長(zhǎng)，包括新能源發(fā)電、輸配電、列車牽引等領(lǐng)域?qū)?huì)有更大的市場(chǎng)增長(zhǎng)空間，東芝半導(dǎo)體借助功率器件產(chǎn)品上的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，也將會(huì)獲得更多市場(chǎng)機(jī)會(huì)。