日立碳化硅目标17.8亿元，增长30倍！它凭什么？

第三代半导体风向 · 2021-04-30

前段时间，日立发布了一款TED-MOS沟槽结构的SiC MOSFET，号称“业界最节能”。

对于该结构，日立非常有信心，提出了一个“大目标”——2030年要将碳化硅半导体的销售额提高至17.8亿人民币，达到2019年度的30倍。并且，日立的目标是赶上并超越罗姆、科锐等公司。

TED-MOS结构真的那么牛？今天，“三代半风向”跟大家聊聊它究竟有什么特点。

同时，我们发现，全球已有6家企业量产了沟槽SiC MOSFET，但相关专利最强的竟然不是Cree（附在文末）。

目标：17.8亿元

挑战罗姆、三菱、科锐、英飞凌

据日本经济新闻报道，该产品是由日立的子公司日立功率半导体开发，于今年3月开始供应样品，将根据客户的反应，从2022年度开始量产。

2019年度，日立功率半导体的销售额约为360亿日元（约21.38亿人民币），其中，碳化硅半导体的销售额为10亿日元（约5940万元人民币）。目前仅用于部分铁路，未来还将面向纯电动汽车、光伏发电及电力系统推广产品。

日立功率半导体认为，碳化硅半导体到2023年以后来自纯电动汽车等的需求将扩大，将实现全面普及。他们的碳化硅半导体的销售额到2027年度将达到250亿日元（14.85亿人民币），到2030年度提高至300亿日元（约17.8亿人民币），是2019年的营收的30倍。

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在2018年开发出TED-MOS结构后，日立研发负责人就曾表示，罗姆、三菱电机、Cree和英飞凌在SiC功率半导体方面处于领先地位，但日立的目标是赶上并超越这些领先的公司。

TED-MOS结构性能如何？

2018年9月，日立功率半导体就发布了TED-MOS结构SiC MOSFET原型。

据介绍，该原型的电场强度比传统的DMOSFET低40％，电阻低25％，还具有1.2 kV的额定工作电压，同时，由于开关速度更快，能量损耗也降低了50％。

而这次正式宣布量产的产品，与2018年开发的原型相比，其短路耐受性又提高了20％，而电阻降低了40％，同时保持了商品化所需的1.2kV耐压。

另外，TED-MOS还提供了更大的设计自由度，从而能够开发适合各种用途的产品设计，据了解，这种结构的制造成本跟现有的碳化硅半导体差不多，因此它也具备价格优势。

日立为什么有信心挑战其他“大佬”？

先看SiC MOSFET面临哪些挑战？

据日立介绍，SiC的高介电强度是硅的10倍，正常来说它可以承受比硅高10倍的电压，同时导通电阻却可以跟硅一样。但是，由于SiC MOS结构绝缘膜的绝缘电场相对较弱，几乎与硅上的绝缘膜相同，最终碳化硅的耐压却只能跟硅相同。

而且，很多SiC MOSFET采用的是DMOS结构，电流从衬底背面的漏极垂直流向衬底表面，并沿水平方向在衬底表面上流动。但是，DMOS结构的横向电流较小，而且存在较大的沟道电阻和高氧化物电场问题，因此一些企业开始改用沟槽结构。

沟槽结构的好处是能够让电流在垂直方向上流动，因此大量的电流可以在较小的区域中流动。不过，沟槽结构也有一个问题，那就是电场集中在沟槽的底部拐角处发生（如下图），从而容易破坏绝缘膜的薄弱部分。

而且，日立还指出了其他企业沟槽结构的弱点，“通过仿真研究了其他公司的沟槽型SiC MOS结构，我们发现，如果在允许的范围内，他们结构在生产上没有问题，他们的SiC MOS晶体管可以在某些条件下提供性能，但是设计裕度非常窄。”

为了解决这些问题，日立搞出了沟槽蚀刻双扩散MOS（TED-MOS）结构。

首先，TED-MOS采用新型鳍结构和专有的Hitachi结构（如下图），该结构在鳍片的侧壁上提供电流路径，从而可以用较小的沟槽间距来减小电阻，并且在3.3 kV的电压下工作时，电场也较小，解决了电场集中在晶面上的沟槽边缘的问题。

其次，日立还使用场松弛层（FRL）来降低电场强度，并使用电流扩散层（CSL）来降低n-JFET区域中的电阻，从而可以获得不易破裂且电流容易流动的结构。

电装和富士电机的沟槽专利竟然这么强？

据“三代半风向”的不完全统计，目前已经有6家企业量产了沟槽SiC MOSFET。

▲ 2015年，罗姆开始批量生产业界首个沟槽型SiC MOSFET，将导通电阻降低了40％。

▲ 2016年PCIM Asia期间，英飞凌推出1200 V沟槽SiC MOSFET——CoolSiC MOSFET，其导通电阻额定值为45 mΩ。

▲ 2016年，富士电机开发了沟槽结构SiC MOSFET，阈值电压5 V，导通电阻3.5mΩcm2。

▲ 2018年12月，住友电工已经开发出SiC VMOSFET，实现了1170V/0.63mΩ?cm2的低导通态电阻。

▲ 2019年9月，三菱电机宣布开发出沟槽型SiC MOSFET，导通电阻1.84mΩcm2，击穿电压超过1500V。

▲ 2020年12月10日，电装宣布开始批量生产SiC沟槽MOSFET。

不过，根据ResearchAndMarkets2019年的专利报告，电装在沟槽SiC MOSFET的IP竞赛中处于领先地位，远远领先于其他企业。但富士电机大量未决专利申请已获批准，在未来几年可能会超过电装。

根据该报告，与平面SiC MOSFET相比，CREE/Wolfspeed在沟槽式SiC MOSFET中的IP相对较少，但该公司拥有多项关键专利。

另外，与沟槽SiC MOSFET相关的大部分专利都涉及保护栅极氧化物材料免受栅极某些部分中的电场集中的影响。