半導(dǎo)體芯片技術(shù)的發(fā)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(guān)鍵的作用。相對(duì)目前廣泛應(yīng)用的Si半導(dǎo)體芯片，寬禁帶半導(dǎo)體SiC芯片可以改進(jìn)產(chǎn)品的性能并降低損耗。SiC材料具有良好的物理特性，與傳統(tǒng)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(tǒng)中采用SiC器件，可以降低產(chǎn)品的功率損耗，也可以減小冷卻系統(tǒng)和被動(dòng)元件的體積。
SiC功率器件的使用可以節(jié)省能源和資源，三菱電機(jī)一直持續(xù)的對(duì)其性能進(jìn)行改進(jìn)并降低損耗。本文總結(jié)了SiC芯片最新的發(fā)展?fàn)顩r。
2. SiC 芯片的發(fā)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(chǎn)線，我們已經(jīng)開發(fā)出了第二代金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFETs)。對(duì)于平面柵MOSFETs，通過使用結(jié)型場效應(yīng)晶體管摻雜技術(shù)對(duì)MOS的元胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，降低了導(dǎo)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(dǎo)通特性，圖2為其開關(guān)損耗與柵極電阻之間的關(guān)系曲線。為了方便比較，圖中也給出了第一代MOSFETs在相同區(qū)域內(nèi)的曲線。對(duì)于第二代MOSFETs，由于縮小了元胞間距和采用了其它的改進(jìn)措施，其導(dǎo)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(jìn)措施，使得第二代MOSFETs開關(guān)速度更快，開關(guān)損耗明顯降低。另外，6英寸SiC晶圓生產(chǎn)線可以使晶圓的厚度更薄，從而降低導(dǎo)通電阻，薄晶圓已經(jīng)在第二代平面柵MOSFETs中開始應(yīng)用。
目前，我們已經(jīng)開發(fā)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(shí)現(xiàn)了功率模塊的商業(yè)化。
圖1. 第二代平面型MOSFET導(dǎo)通特性
圖2. 第二代平面柵MOSFET開關(guān)損耗
2.2 新型溝槽型MOSFETs
我們通過采用專有的結(jié)構(gòu)開發(fā)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(qiáng)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(qiáng)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(fā)的溝槽柵MOSFETs的結(jié)構(gòu)。為了削弱作用在溝槽底部柵極氧化層上的電場強(qiáng)度，在溝槽的下面部分設(shè)置了底部P層(BPW)，為了穩(wěn)定BPW部分的電勢，p型摻雜離子是沿溝槽側(cè)壁斜向注入的。在溝槽側(cè)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(dǎo)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(tài)比電阻在1.84mΩ·cm2時(shí)降低了大約50%，雪崩電壓設(shè)計(jì)為1560V。
溝槽型MOSFETs的低導(dǎo)通電阻特性將來會(huì)被用來減小芯片的尺寸，降低損耗，增加模塊的電流等級(jí)。
圖3. 溝槽型MOSFET剖面結(jié)構(gòu)圖
圖4. 平面型和溝槽型MOSFET導(dǎo)通電阻對(duì)比
圖5. 溝槽型MOSFET關(guān)斷狀態(tài)特性
2.3 集成SBD的MOSFETs MOSFETs
內(nèi)部存在體二極管，由于其結(jié)構(gòu)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(duì)于SiC-MOSFETs來說，當(dāng)體二極管導(dǎo)通的時(shí)候，其導(dǎo)通壓降有時(shí)會(huì)增加。對(duì)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(shí)需要連成一排，體二極管需要進(jìn)行篩選測試，從而避免正向壓降的增加。
對(duì)于耐壓在3300V或更高的MOSFETs，我們開發(fā)了內(nèi)置SBD芯片的MOSFETs，其SBD內(nèi)置于MOSFETs的單位元胞內(nèi)，無需外置SBD以及對(duì)體二極管進(jìn)行篩選。當(dāng)電流反向流過內(nèi)置SBD的MOSFETs時(shí)，電流從從漂移層流過所引起的壓降比體二極管PN結(jié)壓降低，體二極管不再流過電流。
圖6展示了內(nèi)置SBD的MOSFETs樣片的導(dǎo)通特性曲線。其導(dǎo)通特性與常規(guī)的通過柵極電壓控制的MOSFETs相似。因?yàn)閮?nèi)置SBD占用的電極面積很小，因此MOSFET導(dǎo)通電阻增加的很小。圖7展示了當(dāng)MOSFETs的柵極電壓在-5V(關(guān)斷)和15V(開通)時(shí)內(nèi)置SBD的MOSFETs反向電流導(dǎo)通特性。數(shù)據(jù)顯示當(dāng)電壓在大約1V時(shí)(SBD的擴(kuò)散電壓)，單極性電流開始線性增加。當(dāng)MOSFETs的柵極設(shè)置為開通時(shí)，流過MOSFETs通道的電流疊加在SBD電流上，明顯降低了導(dǎo)通電阻。
通過應(yīng)用內(nèi)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。
圖6. 內(nèi)置SBD的MOSFET導(dǎo)通特性
圖7. 內(nèi)置SBD的MOSFET反向電流導(dǎo)通特性
3 結(jié)論
我們會(huì)持續(xù)地對(duì)第二代平面柵SiC-MOSFETs、溝槽柵SiC-MOSFETs和內(nèi)置SBD的SiC-MOSFETs進(jìn)行研究開發(fā)，進(jìn)一步改進(jìn)功率器件的表現(xiàn)。我們希望利用SiC的產(chǎn)品特性來降低各種系統(tǒng)中能源和資源的損耗。
