增強型M1H CoolSiC™ MOSFET的技術解析及可靠性考量

1. 碳化矽的材料特性

(a) SiC是寬禁帶半導體，它的帶隙寬度約是Si的3倍，由此帶來的好處是SiC的臨界場強約是Si的10倍。對於高壓Si基MOSFET來說，漂移區電阻占總導通電阻的主要分量。SiC臨界擊穿場強高，要達到相同的耐壓，可以使用更薄以及更高摻雜的漂移區，從而大大降低了導通電阻。

(b) IGBT是雙極性器件，電子和空穴同時參與導電，關斷時空穴複合產生拖尾電流，增加了關斷損耗。而SiC MOSFET是單極性器件，沒有拖尾電流，相比Si IGBT節省至多80%開關損耗。SiC材料大大拓展了MOSFET的電壓等級，最高電壓可到3300V以上，重新定義了MOSFET的應用範圍。


(c) SiC材料為器件設計即帶來了機遇也帶來了挑戰。最大的挑戰在於柵氧化層界面SiC-SiO2存在較高的缺陷密度和界面電荷，可能導致早期擊穿、閾值漂移、導通電阻上升等問題，最終威脅到器件的壽命和可靠性。

2. 為什麼SiC MOSFET需要溝槽柵

(a) SiC材料的應用使得MOSFET漂移區非常薄，因此溝道電阻就成為了降低總電阻的關鍵。

 

(b) 根據溝道電阻的公式，可以採用以下手段，但是會加大可靠性風險：

• 多元胞並聯導致高成本和高短路電流

• 降低柵氧化層厚度將導致柵氧化層應力上升，對柵極可靠性造成影響

• 提高驅動電壓，同樣會加大柵氧化層應力

• 降低閾值電壓，可能會帶來串擾問題

• 最優的辦法是增加溝道載流子遷移率un

(c) SiC-SiO2界面態密度和缺陷遠大於Si-SiO2界面，SiC MOSFET溝道載流子遷移率相比IGBT偏低。溝道載流子遷移率低會導致溝道電阻和損耗上升。SiC是各向異性晶體，垂直晶面上的氧化層缺陷密度小於水平晶面。可以利用這一特性解決上述難題。

(d) 比較溝槽柵和平面柵兩種技術，如果要保持同等柵氧可靠性，平面與溝槽需同時使用同樣厚度的柵氧化層，平面型MOS面積要顯著大於溝槽柵；如果要保持相同的晶片面積，為了維持低導通電阻，平面型需要更薄的柵極氧化層，柵氧應力高，可靠性差。

 

(e) 英飛凌CoolSiC™ MOSFET採用非對稱溝槽柵結構，有如下技術點：

• 溝道所使用晶面與垂直軸呈4C夾角，具有最低的界面態密度與氧化層陷阱，因而能保證最高溝道載流子遷移率

• 深P阱作為增強型體二極體，增大二極體的面積和發射效率

• 溝槽型底部拐角承受高電場，深P阱另一個作用是保護溝槽拐角

• JFET區域限制短路電流，增加可靠性。

 

3. CoolSiC™ MOSFET的可靠性考量

(a) 大部分SiC MOSFET不承諾短路能力。CoolSiC™是唯一承諾短路能力的SiC  MOSFET。在門極15V電壓下，單管具有3us的短路時間，EASY模塊具有2us的短路時間。


(b) SiC MOSFET在短路時具有電流飽和的特性，但短路時間往往低於IGBT。這是因為SiC MOSFET具有更高的短路電流密度，更小的面積以及更薄的漂移區，使得熱量更加集中，從而降低了短路時間。


總結

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