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SiC-MOSFET 芯片技术的发展

发布日期:2021-06-11 浏览次数:3635 来源:三菱电机作者:网络
 1. 介绍

       半导体芯片技术的发展使得功率器件能够有效的利用电能,比如晶闸管和二极管,在电压和电流控制方面起到了关键的作用。相对目前广泛应用的Si半导体芯片,宽禁带半导体SiC芯片可以改进产品的性能并降低损耗。SiC材料具有良好的物理特性,与传统器件相比,SiC器件可以降低50-70%的损耗并且可以在更高的频率下工作。在系统中采用SiC器件,可以降低产品的功率损耗,也可以减小冷却系统和被动元件的体积。

      SiC功率器件的使用可以节省能源和资源,三菱电机一直持续的对其性能进行改进并降低损耗。本文总结了SiC芯片最新的发展状况。

 

2. SiC 芯片的发展

2.1 第二代平面型MOSFETs

      利用我司最新的6英寸SiC晶圆生产线,我们已经开发出了第二代金属氧化物场效应晶体管(MOSFETs)。对于平面栅MOSFETs,通过使用结型场效应晶体管掺杂技术对MOS的元胞结构进行了优化,降低了导通电阻和电容。例如图1所示,为耐压1200V的第二代平面栅MOSFETs的导通特性,图2为其开关损耗与栅极电阻之间的关系曲线。为了方便比较,图中也给出了第一代MOSFETs在相同区域内的曲线。对于第二代MOSFETs,由于缩小了元胞间距和采用了其它的改进措施,其导通电阻大约降低了15%。在图2中可以看出,由于降低了电容和采用了其它的改进措施,使得第二代MOSFETs开关速度更快,开关损耗明显降低。另外,6英寸SiC晶圆生产线可以使晶圆的厚度更薄,从而降低导通电阻,薄晶圆已经在第二代平面栅MOSFETs中开始应用。

      目前,我们已经开发出了耐压从600V到3300V多种类别的第二代平面栅MOSFETs,并且成功的实现了功率模块的商业化。


1. 第二代平面型MOSFET导通特性

 


图2. 第二代平面栅MOSFET开关损耗

2.2 新型沟槽型MOSFETs

       我们通过采用专有的结构开发出了搭载沟槽栅MOSFETs功率模块。由于SiC材料的物理特性,SiC芯片上的电场强度不可避免的增加,尤其是位于沟槽底部栅极氧化层上的电场强度变高了,因此,不同于Si沟槽栅MOSFETs,SiC-MOSFETs需要特殊的考虑。图3 描述了我们开发的沟槽栅MOSFETs的结构。为了削弱作用在沟槽底部栅极氧化层上的电场强度,在沟槽的下面部分设置了底部P层(BPW),为了稳定BPW部分的电势,p型掺杂离子是沿沟槽侧壁斜向注入的。在沟槽侧壁电流流过的部分,成角度的n型掺杂离子注入可以降低电阻。图4展示了室温下沟槽栅MOSFETs样片的导通电阻。图5展示了其耐压特性。与平面栅MOSFETs相比,沟槽栅MOSFETs的通态比电阻在1.84mΩ·cm2时降低了大约50%,雪崩电压设计为1560V。

       沟槽型MOSFETs的低导通电阻特性将来会被用来减小芯片的尺寸,降低损耗,增加模块的电流等级。

 


图3. 沟槽型MOSFET剖面结构图


图4. 平面型和沟槽型MOSFET导通电阻对比


图5. 沟槽型MOSFET关断状态特性

2.3 集成SBD的MOSFETs MOSFETs

       内部存在体二极管,由于其结构特性,电流可以反向流过MOSFETs,体二极管可以用来作为换流二极管。然而,对于SiC-MOSFETs来说,当体二极管导通的时候,其导通压降有时会增加。对于高耐压且面积较大的MOSFETs来说,SBD( Schottky Barrier Diode)作为换流二极管时需要连成一排,体二极管需要进行筛选测试,从而避免正向压降的增加。

       对于耐压在3300V或更高的MOSFETs,我们开发了内置SBD芯片的MOSFETs,其SBD内置于MOSFETs的单位元胞内,无需外置SBD以及对体二极管进行筛选。当电流反向流过内置SBD的MOSFETs时,电流从从漂移层流过所引起的压降比体二极管PN结压降低,体二极管不再流过电流。

       图6展示了内置SBD的MOSFETs样片的导通特性曲线。其导通特性与常规的通过栅极电压控制的MOSFETs相似。因为内置SBD占用的电极面积很小,因此MOSFET导通电阻增加的很小。图7展示了当MOSFETs的栅极电压在-5V(关断)和15V(开通)时内置SBD的MOSFETs反向电流导通特性。数据显示当电压在大约1V时(SBD的扩散电压),单极性电流开始线性增加。当MOSFETs的栅极设置为开通时,流过MOSFETs通道的电流叠加在SBD电流上,明显降低了导通电阻。

      通过应用内置SBD的MOSFETs模块可以省略掉成排的外置SBDs, 可以简化测试,缩小模块的尺寸降低成本。


图6. 内置SBD的MOSFET导通特性


图7. 内置SBD的MOSFET反向电流导通特性

3 结论

      我们会持续地对第二代平面栅SiC-MOSFETs、沟槽栅SiC-MOSFETs和内置SBD的SiC-MOSFETs进行研究开发,进一步改进功率器件的表现。我们希望利用SiC的产品特性来降低各种系统中能源和资源的损耗。

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