SiC-МОП-транзисторы с суперпереходом выходят на новый уровень

За последние 40 лет карбидокремниевые МОП-транзисторы прошли путь от высокоомных маломощных компонентов до эффективных устройств массового производства. Развитие планарных и траншейных структур позволило уменьшить сопротивление открытого канала \(RDS(on)\), увеличить плотность ячеек и повысить удельную мощность.

Следующим этапом стала архитектура superjunction (SJ), которая может улучшить основные характеристики SiC-транзисторов: снизить потери при переключении, уменьшить сопротивление в открытом состоянии, повысить пробивное напряжение и сохранить устойчивость к короткому замыканию.

APEC 2026: производители ускоряют разработку

На конференции IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition 2026, прошедшей 22–26 марта в Сан-Антонио, ведущие полупроводниковые компании представили новые решения на основе материалов с широкой и сверхширокой запрещенной зоной. Значительная часть разработок была связана с SiC-МОП-транзисторами, выполненными по технологии SJ.

Архитектура superjunction рассматривается как один из ключевых способов дальнейшего повышения эффективности высоковольтных SiC-МОП-транзисторов.

Пока такие компоненты еще не стали стандартом коммерческого рынка. Однако производители стремятся перевести высоковольтные устройства, особенно рассчитанные на 1200 В и более, из исследовательской стадии в серийное производство. Среди участников этого направления — Infineon Technologies, Bosch, STMicroelectronics, Navitas Semiconductor, ROHM Semiconductor, Toshiba, Mitsubishi Electric и Fuji Electric. По оценке Yole Group, широкое распространение SiC-МОП-транзисторов с суперпереходом может начаться в 2027–2028 годах на фоне роста выпуска 200-миллиметровых пластин.

Infineon CoolSiC TSJ приближает технологию к рынку

В прошлом году Infineon Technologies представила концепцию trench-based SiC superjunction (TSJ). Она объединяет траншейную архитектуру SiC с принципами кремниевых SJ-технологий, применяемых, например, в серии CoolMOS. По данным компании, CoolSiC TSJ способна повысить показатель \(RDS(on) \times A\) до 40% и увеличить допустимый ток до 25% без ухудшения защиты от короткого замыкания.

Платформа может использоваться в дискретных компонентах, формованных и каркасных модулях, а также в виде готовых кристаллов. Сейчас Infineon испытывает 1200-вольтный CoolSiC на базе TSJ в корпусе ID-PAK. Массовый выпуск с применением 200-миллиметровых пластин запланирован на 2027 год. Первоначально устройство ориентировано на тяговые инверторы электромобилей, но технология также подходит для зарядных систем мощностью до 800 кВт.

Технические детали от Infineon

На встрече с Питером Фридрихсом, специалистом Infineon по SiC-приборам, стало известно, что компания продолжает проверку электрических характеристик и валидацию 1200-вольтного CoolSiC TSJ. Техническое описание продукта ожидается в конце 2026 года или в начале 2027-го.

Платформа CoolSiC TSJ рассчитана не только на отдельный транзистор, но и на масштабирование в различные типы силовых модулей.

По словам специалиста, испытания показывают возможность снизить \(RDS(on)\) 1200-вольтного устройства ниже 10 мОм, вплоть до 5 мОм. Одновременно разработчики работают над уменьшением токов утечки и обеспечением стабильности при высоком напряжении.

К основным техническим задачам Infineon относятся:

• точное выравнивание P- и N-столбцов в структуре superjunction;
• достижение оптимального баланса заряда;
• снижение удельного сопротивления \(Ron, sp\);
• сохранение устойчивости при повышенном напряжении;
• подтверждение характеристик защиты от короткого замыкания.

Новые поставщики присоединяются к гонке

Важным разработчиком SiC-SJ-МОП-транзисторов остается немецкая Bosch. После выпуска компонентов третьего поколения компания совершенствует вертикальную траншейную технологию и переходит к решениям четвертого и пятого поколений. Пятое поколение должно сохранить преимущества предыдущих серий и получить полноценную SJ-архитектуру.

Начало производства запланировано на 2031 год, однако отбор образцов для отдельных крупных заказчиков может начаться примерно за два года до этого срока. Bosch ожидает, что у 1200-вольтных компонентов пятого поколения \(Ron, sp\) уменьшится на 40% по сравнению с устройствами четвертого поколения. При температуре перехода 175°C целевое значение должно составить менее 2 мОм·см².

Новые напряжения и китайские разработки

Развитие технологии не ограничивается диапазоном 1200 В. В рамках программы ARPA-E специалисты GE Aerospace продемонстрировали 3,5-киловольтные SiC SJ-диоды JBS и 5-киловольтные SiC SJ-МОП-транзисторы. Для их создания применялись глубокая имплантация со сверхвысокой энергией и эпитаксиальное наращивание.

Переход к напряжениям 3,3–5 кВ расширяет область применения SiC-SJ-транзисторов от автомобильных систем до промышленной энергетики и сетевых преобразователей.

Японская исследовательская группа с участием AIST, Sumitomo Electric, Fuji, Toyota, Toshiba и Mitsubishi Electric разработала 1170-вольтный SiC-SJ-МОП-транзистор с \(Ron, sp\) 0,63 мОм·см². Также была представлена 3,3-киловольтная версия с показателем 3,3 мОм·см² при комнатной температуре.

К наиболее заметным результатам новых разработок относятся:

• 3,5 кВ — SiC SJ-диоды JBS, созданные GE Aerospace;
• 5 кВ — SiC SJ-МОП-транзисторы с низким \(Ron, sp\);
• 1170 В — японский транзистор с \(Ron, sp\) 0,63 мОм·см²;
• 3,3 кВ — японская разработка с \(Ron, sp\) 3,3 мОм·см²;
• 1200 В–3,3 кВ — диапазон китайских SiC-SJ-разработок;
• 71% — потенциальное снижение \(Ron, sp\) в структуре с экранированным затвором, предложенной специалистами Даляньского технологического университета.

От пластин 200 мм к подложкам 300 мм

Параллельно с совершенствованием структуры транзисторов производители увеличивают диаметр SiC-пластин. Китайские компании Zhejiang Jingsheng Mechanical & Electrical и SICC развивают линии по выпуску 300-миллиметровых подложек. В США Wolfspeed представила монокристаллическую SiC-пластину диаметром 300 мм. Увеличение размера подложки должно снизить себестоимость компонентов и поддержать растущий спрос со стороны центров обработки данных с ИИ, электромобилей, зарядной инфраструктуры и возобновляемой энергетики.

Автопроизводители внедряют SJ

Hyundai Motor Company стала одной из первых компаний, заинтересовавшихся 1200-вольтными SiC-МОП-транзисторами Infineon. Автопроизводитель планирует использовать их для создания более компактных и эффективных тяговых систем. Toyota также применяет преимущества CoolSiC TSJ. Японская компания интегрирует такие устройства во встроенное зарядное устройство электромобиля bZ4X и преобразователи постоянного тока. SiC-МОП-транзисторы с архитектурой superjunction постепенно переходят из лабораторий в коммерческие проекты.

Увеличение диаметра пластин становится важным условием для снижения стоимости SiC-компонентов и перехода SJ-технологии к массовому выпуску.

Infineon готовит серийный выпуск в 2027 году, Bosch рассчитывает вывести пятое поколение в 2031-м, а развитие 300-миллиметровых пластин должно поддержать снижение себестоимости. В ближайшие годы SJ-технология может стать одним из главных направлений развития силовой электроники для электромобилей, зарядных станций, дата-центров и энергетических систем.