東芝新器件結(jié)構(gòu)問(wèn)世，可顯著提高SiC?MOSFET的性能
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點(diǎn)擊“東芝半導(dǎo)體”，馬上加入我們哦！
目前碳化硅（SiC）被廣泛視為下一代功率器件的材料，因?yàn)樗裙璧碾妷焊?，損耗更低。然而，雖然碳化硅器件具有很大的發(fā)展前景，但該類器件的產(chǎn)品可靠性一直備受爭(zhēng)議，這也使其使用情況和市場(chǎng)增長(zhǎng)受到了阻礙。其中一個(gè)重要問(wèn)題是當(dāng)電流流過(guò)位于功率MOSFET源極和漏極之間的PN二極管[1]時(shí)，晶體缺陷會(huì)擴(kuò)大，這會(huì)增加導(dǎo)通電阻并降低器件可靠性。
為解決碳化硅器件可靠性問(wèn)題，東芝開(kāi)發(fā)了一種新型SiC MOSFET[2]器件結(jié)構(gòu)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高溫下更高可靠性和更低功率損耗。當(dāng)采用新器件結(jié)構(gòu)的3300V芯片處于175℃[3]，高溫下時(shí)，其電流水平是東芝現(xiàn)有器件結(jié)構(gòu)的兩倍以上，新器件結(jié)構(gòu)可在沒(méi)有任何可靠性損失的情況下良好運(yùn)行，而且在室溫下，3300V芯片的導(dǎo)通電阻比現(xiàn)有器件降低約20%，1200V芯片的導(dǎo)通電阻比現(xiàn)有器件降低約40%。[4]
東芝開(kāi)發(fā)的新器件結(jié)構(gòu)-肖特基勢(shì)壘二極管[5]（SBD）內(nèi)嵌式MOSFET通過(guò)在MOSFET中放置一個(gè)與PN二極管并聯(lián)的肖特基勢(shì)壘二極管以防止PN結(jié)二極管運(yùn)行；相較于PN結(jié)二極管，內(nèi)嵌肖特基勢(shì)壘二極管的通態(tài)電壓更低，電流通過(guò)內(nèi)嵌肖特基勢(shì)壘二極管，可抑制導(dǎo)通電阻的變化。該器件結(jié)構(gòu)在PCIM Europe 2020（國(guó)際電力電子系統(tǒng)及元器件展覽會(huì)[6]）上獲得報(bào)道，并于2020年8月引入產(chǎn)品中。
雖然肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）內(nèi)嵌式MOSFET結(jié)構(gòu)具有較高的性能，但在175℃以上的高溫下，該器件結(jié)構(gòu)只能處理有限電流密度。然而加速采用碳化硅器件要求碳化硅器件在高溫下保持高電流能力和高可靠性。
新器件結(jié)構(gòu)
此次新器件結(jié)構(gòu)是對(duì)肖特基勢(shì)壘二極管內(nèi)嵌式MOSFET器件的修改，其通過(guò)應(yīng)用25%的工藝縮小和優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)加強(qiáng)肖特基勢(shì)壘二極管對(duì)PN二極管中電流的抑制。與東芝目前的器件結(jié)構(gòu)相比，采用了新器件結(jié)構(gòu)的3300V芯片結(jié)構(gòu)在175℃時(shí)的電流密度增加了一倍以上，同時(shí)并未造成任何可靠性的損失。新器件結(jié)構(gòu)還可在室溫下將3300V芯片的導(dǎo)通電阻降低約20%，并可將1200V芯片的導(dǎo)通電阻降低約40%。
東芝新型肖特基勢(shì)壘二極管內(nèi)嵌式MOSFET器件結(jié)構(gòu)在175℃高溫下提高可靠性該成果的詳細(xì)信息已于在線舉行的2021年紐倫堡電力電子系統(tǒng)及元器件展（PCIM Europe 2021）和美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）贊助的2021年國(guó)際功率半導(dǎo)體器件與集成電路會(huì)議（ISPSD 2021）上報(bào)道過(guò)。
東芝于今年5月開(kāi)始提供采用新器件結(jié)構(gòu)的3.3kV級(jí)碳化硅功率模塊樣品出貨。
注：[1] PN二極管：由源極和漏極之間的pn結(jié)形成的二極管。
[2] MOSFET：金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。[3]?在175℃的漏源電壓測(cè)量中，東芝目前的肖特基勢(shì)壘二極管[5]（SBD）內(nèi)嵌式MOSFET器件結(jié)構(gòu)中的PN二極管會(huì)在110A/cm2的電流密度下發(fā)生作用。東芝新MOSFET器件結(jié)構(gòu)中，即使在250A/cm2的電流密度下，PN二極管也不會(huì)發(fā)生動(dòng)作。截至2021年6月，東芝的測(cè)試結(jié)果。[4]?截至2021年6月，東芝對(duì)這兩款芯片的測(cè)試結(jié)果。[5]?肖特基勢(shì)壘二極管：由半導(dǎo)體與金屬結(jié)形成的半導(dǎo)體二極管。[6] 2020年7月30日的新聞稿中報(bào)道了該技術(shù)的詳細(xì)信息 “可提高碳化硅（SiC）MOSFET可靠性的東芝新器件結(jié)構(gòu)問(wèn)世"。
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