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SiC-MOSFET 芯片技術的發展

其他|other else|

2022-03-18 02:34:53 94

1. 介紹

半導體芯片技術的發展使得功率器件能夠有效的利用電能，比如晶閘管和二極管，在電壓和電流控制方面起到了關鍵的作用。相對目前廣泛應用的Si半導體芯片，寬禁帶半導體SiC芯片可以改進產品的性能并降低損耗。SiC材料具有*的物理特性，與傳統器件相比，SiC器件可以降低50-70%的損耗并且可以在更高的頻率下工作。在系統中采用SiC器件，可以降低產品的功率損耗，也可以減小冷卻系統和被動元件的體積。

SiC功率器件的使用可以節省能源和資源，三菱電機一直持續的對其性能進行改進并降低損耗。本文總結了SiC芯片最新的發展狀況。

2. SiC 芯片的發展

2.1 第二代平面型MOSFETs

利用我司最新的6英寸SiC晶圓生產線，我們已經開發出了第二代金屬氧化物場效應晶體管(MOSFETs)。對于平面柵MOSFETs，通過使用結型場效應晶體管摻雜技術對MOS的元胞結構進行了優化，降低了導通電阻和電容。例如圖1所示，為耐壓1200V的第二代平面柵MOSFETs的導通特性，圖2為其開關損耗與柵極電阻之間的關系曲線。為了方便比較，圖中也給出了*代MOSFETs在相同區域內的曲線。對于第二代MOSFETs，由于縮小了元胞間距和采用了其它的改進措施，其導通電阻大約降低了15%。在圖2中可以看出，由于降低了電容和采用了其它的改進措施，使得第二代MOSFETs開關速度更快，開關損耗明顯降低。另外，6英寸SiC晶圓生產線可以使晶圓的厚度更薄，從而降低導通電阻，薄晶圓已經在第二代平面柵MOSFETs中開始應用。

目前，我們已經開發出了耐壓從600V到3300V多種類別的第二代平面柵MOSFETs，并且成功的實現了功率模塊的商業化。

圖1. 第二代平面型MOSFET導通特性

圖2. 第二代平面柵MOSFET開關損耗

2.2 新型溝槽型MOSFETs

我們通過采用專有的結構開發出了搭載溝槽柵MOSFETs功率模塊。由于SiC材料的物理特性，SiC芯片上的電場強度不可避免的增加，尤其是位于溝槽底部柵極氧化層上的電場強度變高了，因此，不同于Si溝槽柵MOSFETs，SiC-MOSFETs需要特殊的考慮。圖3 描述了我們開發的溝槽柵MOSFETs的結構。為了削弱作用在溝槽底部柵極氧化層上的電場強度，在溝槽的下面部分設置了底部P層(BPW)，為了穩定BPW部分的電勢，p型摻雜離子是沿溝槽側壁斜向注入的。在溝槽側壁電流流過的部分，成角度的n型摻雜離子注入可以降低電阻。圖4展示了室溫下溝槽柵MOSFETs樣片的導通電阻。圖5展示了其耐壓特性。與平面柵MOSFETs相比，溝槽柵MOSFETs的通態比電阻在1.84mΩ·cm2時降低了大約50%，雪崩電壓設計為1560V。

溝槽型MOSFETs的低導通電阻特性將來會被用來減小芯片的尺寸，降低損耗，增加模塊的電流等級。

圖3. 溝槽型MOSFET剖面結構圖

圖4. 平面型和溝槽型MOSFET導通電阻對比

圖5. 溝槽型MOSFET關斷狀態特性

2.3 集成SBD的MOSFETs MOSFETs

內部存在體二極管，由于其結構特性，電流可以反向流過MOSFETs，體二極管可以用來作為換流二極管。然而，對于SiC-MOSFETs來說，當體二極管導通的時候，其導通壓降有時會增加。對于高耐壓且面積較大的MOSFETs來說，SBD( Schottky Barrier Diode)作為換流二極管時需要連成一排，體二極管需要進行篩選測試，從而避免正向壓降的增加。

對于耐壓在3300V或更高的MOSFETs，我們開發了內置SBD芯片的MOSFETs，其SBD內置于MOSFETs的單位元胞內，無需外置SBD以及對體二極管進行篩選。當電流反向流過內置SBD的MOSFETs時，電流從從漂移層流過所引起的壓降比體二極管PN結壓降低，體二極管不再流過電流。

圖6展示了內置SBD的MOSFETs樣片的導通特性曲線。其導通特性與常規的通過柵極電壓控制的MOSFETs相似。因為內置SBD占用的電極面積很小，因此MOSFET導通電阻增加的很小。圖7展示了當MOSFETs的柵極電壓在-5V(關斷)和15V(開通)時內置SBD的MOSFETs反向電流導通特性。數據顯示當電壓在大約1V時(SBD的擴散電壓)，單極性電流開始線性增加。當MOSFETs的柵極設置為開通時，流過MOSFETs通道的電流疊加在SBD電流上，明顯降低了導通電阻。

通過應用內置SBD的MOSFETs模塊可以省略掉成排的外置SBDs, 可以簡化測試，縮小模塊的尺寸降低成本。

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圖6. 內置SBD的MOSFET導通特性

圖7. 內置SBD的MOSFET反向電流導通特性

3 結論

我們會持續地對第二代平面柵SiC-MOSFETs、溝槽柵SiC-MOSFETs和內置SBD的SiC-MOSFETs進行研究開發，進一步改進功率器件的表現。我們希望利用SiC的產品特性來降低各種系統中能源和資源的損耗。

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