东芝新器件结构问世，可显著提高SiC MOSFET的性能

时间：2021-08-19 16:23:10

关键字： MOSFET 东芝器件结构

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[导读]点击“东芝半导体”，马上加入我们哦！目前碳化硅（SiC）被广泛视为下一代功率器件的材料，因为它比硅的电压更高，损耗更低。然而，虽然碳化硅器件具有很大的发展前景，但该类器件的产品可靠性一直备受争议，这也使其使用情况和市场增长受到了阻碍。其中一个重要问题是当电流流过位于功率MOSFE...

点击“东芝半导体”，马上加入我们哦！

目前碳化硅（SiC）被广泛视为下一代功率器件的材料，因为它比硅的电压更高，损耗更低。然而，虽然碳化硅器件具有很大的发展前景，但该类器件的产品可靠性一直备受争议，这也使其使用情况和市场增长受到了阻碍。其中一个重要问题是当电流流过位于功率MOSFET源极和漏极之间的PN二极管^[1]时，晶体缺陷会扩大，这会增加导通电阻并降低器件可靠性。

为解决碳化硅器件可靠性问题，东芝开发了一种新型SiC MOSFET^[2]器件结构，可同时实现高温下更高可靠性和更低功率损耗。当采用新器件结构的3300V芯片处于175℃^[3]，高温下时，其电流水平是东芝现有器件结构的两倍以上，新器件结构可在没有任何可靠性损失的情况下良好运行，而且在室温下，3300V芯片的导通电阻比现有器件降低约20%，1200V芯片的导通电阻比现有器件降低约40%。^[4]

东芝开发的新器件结构-肖特基势垒二极管^[5]（SBD）内嵌式MOSFET通过在MOSFET中放置一个与PN二极管并联的肖特基势垒二极管以防止PN结二极管运行；相较于PN结二极管，内嵌肖特基势垒二极管的通态电压更低，电流通过内嵌肖特基势垒二极管，可抑制导通电阻的变化。该器件结构在PCIM Europe 2020（国际电力电子系统及元器件展览会^[6]）上获得报道，并于2020年8月引入产品中。

虽然肖特基势垒二极管（SBD）内嵌式MOSFET结构具有较高的性能，但在175℃以上的高温下，该器件结构只能处理有限电流密度。然而加速采用碳化硅器件要求碳化硅器件在高温下保持高电流能力和高可靠性。

新器件结构

此次新器件结构是对肖特基势垒二极管内嵌式MOSFET器件的修改，其通过应用25%的工艺缩小和优化设计来加强肖特基势垒二极管对PN二极管中电流的抑制。与东芝目前的器件结构相比，采用了新器件结构的3300V芯片结构在175℃时的电流密度增加了一倍以上，同时并未造成任何可靠性的损失。新器件结构还可在室温下将3300V芯片的导通电阻降低约20%，并可将1200V芯片的导通电阻降低约40%。

东芝新型肖特基势垒二极管内嵌式MOSFET器件结构

在175℃高温下提高可靠性

该成果的详细信息已于在线举行的2021年纽伦堡电力电子系统及元器件展（PCIM Europe 2021）和美国电气和电子工程师协会（IEEE）赞助的2021年国际功率半导体器件与集成电路会议（ISPSD 2021）上报道过。

东芝于今年5月开始提供采用新器件结构的3.3kV级碳化硅功率模块样品出货。

注：[1] PN二极管：由源极和漏极之间的pn结形成的二极管。

[2] MOSFET：金属氧化物半导体场效应晶体管。

[3] 在175℃的漏源电压测量中，东芝目前的肖特基势垒二极管^[5]（SBD）内嵌式MOSFET器件结构中的PN二极管会在110A/cm²的电流密度下发生作用。东芝新MOSFET器件结构中，即使在250A/cm²的电流密度下，PN二极管也不会发生动作。截至2021年6月，东芝的测试结果。

[4] 截至2021年6月，东芝对这两款芯片的测试结果。

[5] 肖特基势垒二极管：由半导体与金属结形成的半导体二极管。

[6] 2020年7月30日的新闻稿中报道了该技术的详细信息 “可提高碳化硅（SiC）MOSFET可靠性的东芝新器件结构问世"。

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