【导读】东芝开发了一种新的SiC MOSFET[1]器件结构，同时在高温下实现更高的可靠性和更低的功率损耗。在175℃[2]电流水平超过东芝现有结构两倍的3300V芯片中，新结构运行时没有任何可靠性损失，并且3300V芯片在室温下的导通电阻降低了约20%，1200V芯片降低了40%［3］。
东芝电子设备和存储公司(“东芝”)开发了一种新的SiC MOSFET[1]器件结构，同时在高温下实现更高的可靠性和更低的功率损耗。在175℃[2]电流水平超过东芝现有结构两倍的3300V芯片中，新结构运行时没有任何可靠性损失，并且3300V芯片在室温下的导通电阻降低了约20%，1200V芯片降低了40%。［3］
碳化硅(SiC)被广泛认为是下一代功率器件的材料，因为它比硅提供更高的电压和更低的损耗。虽然SiC功率器件目前主要用于列车的逆变器，但更广泛的应用即将出现，包括光伏发电系统和工业设备的电源管理系统。然而，SiC器件的使用和市场增长一直受到可靠性问题的阻碍。一个问题是，当电流流过位于功率MOSFET源极和漏极之间的PN二极管[4]时，晶体缺陷的扩展，这增加了导通电阻，降低了器件的可靠性。
东芝公司开发了一种新的器件结构，一种嵌入肖特基势垒二极管[5](SBD)的MOSFET，在解决这一问题方面取得了进展。这是在PCIM欧洲2020，一个国际电源半导体会议[6]报道，并在2020年8月引入产品。该结构通过在MOSFET中平行放置一个SBD来阻止PN二极管的工作;嵌入的SBD比PN二极管有更低的通态电压，电流通过它，抑制了通态电阻的变化。
然而，在175℃以上的高温下，这种结构只能处理有限的电流密度。加速SiC器件的采用要求SiC器件在高温下保持高电流能力和高可靠性。
新结构是对SBD嵌入MOSFET器件的改进，通过应用25%的工艺收缩和优化设计来加强SBD在PN二极管中的电流抑制。这实现了3300V芯片结构，在175℃时电流密度是东芝现有结构的两倍以上，且不丢失可靠性。在室温下，这种结构在3300V芯片上降低了约20%的导通电阻，在1200V芯片上降低了约40%。
该成果的细节在PCIM Europe 2021和ieee主办的国际功率半导体器件和集成电路2021研讨会(ISPSD 2021)上进行了报道，这两场研讨会都在线举行。
东芝在今年5月开始了带有新结构的3.3kV级SiC电源模块的样品装运。
东芝新sbd嵌入MOSFET的结构
175℃[2]下的可靠性提高
提高175℃时的可靠性
注：
[1]MOSFET:金属-氧化物半导体场效应晶体管
[2]在175℃漏源极电压测量中，东芝当前sbd嵌入MOSFET的PN二极管作用发生[3]在电流密度为110 a /cm2时。即使在250A/cm2的电流密度下，东芝新MOSFET的PN二极管作用也不会发生。截至2021年6月，东芝的测试结果。
[4]截至2021年6月，东芝对这两种芯片的测试结果。
[5]PN二极管:源极和漏极之间的PN结形成的二极管。
[6]肖特基势垒二极管:一种半导体与金属结而成的半导体二极管。
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