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东芝的新器件结构提高了SiC MOSFET的高温可靠性并降低了功率损耗

2021年6月23日

东芝电子元件及存储装置株式会社

东京--东芝电子元件及存储装置株式会社(以下简称“东芝”)开发了一种新型SiC MOSFET[1]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℃[2],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%。[3]

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。虽然碳化硅功率器件现在主要用于列车逆变器,但其今后的应用领域非常广泛,包括用于工业设备的各种光伏发电系统和电源管理系统。然而,碳化硅器件的使用和市场增长一直受到产品可靠性问题的阻碍。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[4]时,晶体缺陷会扩大,这会增加导通电阻并降低器件可靠性。

东芝开发了一种新型的器件结构,即肖特基势垒二极管[5](SBD)内嵌式MOSFET,在解决这个问题方面取得了进展。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。该结构通过在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。

然而,在175℃以上的高温下,该器件结构只能处理有限电流密度。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。

新器件结构是对肖特基势垒二极管内嵌式MOSFET器件的修改,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%。

该成果的详细信息已在在线举行的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。

东芝新型肖特基势垒二极管内嵌式MOSFET器件结构

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 [2]

在175℃高温下提高可靠性


[1]MOSFET:金属氧化物半导体场效应晶体管
[2]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
[3]截至2021年6月,东芝对这两款芯片的测试结果。
[4]PN二极管:由源极和漏极之间的pn结形成的二极管。
[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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