東芝電子元件及存儲裝置株式會社(Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation)和東芝株式會社(Toshiba Corporation)(統(tǒng)稱“東芝”)已經(jīng)開發(fā)了一種碳化硅(SiC)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。該晶體管將嵌入式肖特基勢壘二極管(SBD)排列成方格狀(方格狀嵌入式SBD)，以實現(xiàn)低導(dǎo)通電阻和高可靠性。東芝已經(jīng)證實，與目前的SiC MOSFET相比，這種設(shè)計能夠在不影響可靠性的前提下，將導(dǎo)通電阻[1] (RonA)降低約20%。[2]

功率元件是管理電能和減少各種電子設(shè)備的功率損耗以及實現(xiàn)碳中和社會的基本組件。碳化硅能夠提供比硅更高的電壓和更低的損耗，是公認的新一代元件材料。盡管碳化硅現(xiàn)階段的應(yīng)用主要局限于列車逆變器，但在車輛電氣化和工業(yè)設(shè)備小型化等領(lǐng)域，已經(jīng)開始出現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。然而，一個亟待解決的問題是：在SiC MOSFET反向操作期間，體二極管中的雙極傳導(dǎo)會降低電阻，進而造成不良影響。

東芝電子元件及存儲裝置株式會社開發(fā)了一種將SBD嵌入MOSFET的元件結(jié)構(gòu)來抑制體二極管，但其發(fā)現(xiàn)，用嵌入式SBD取代MOSFET溝道會降低溝道密度并增加導(dǎo)通電阻。這一取舍問題現(xiàn)在已經(jīng)通過新的嵌入式SBD結(jié)構(gòu)得以解決，東芝證實，該結(jié)構(gòu)能夠顯著提高性能特性。

通過部署方格狀SBD分布，東芝改善了SBD嵌入式SiC MOSFET傳導(dǎo)損耗，并實現(xiàn)了良好的二極管導(dǎo)電性。對具有優(yōu)化設(shè)計的1.2kV級SBD嵌入式MOSFET的側(cè)電流特性的評估證實，使用方格設(shè)計將嵌入式SBD固定在體二極管附近能夠有效限制寄生二極管的雙極傳導(dǎo)，而反向傳導(dǎo)的單極電流限制是由相同SBD面積消耗的電流條狀SBD圖案設(shè)計實現(xiàn)的單極電流限制的兩倍。在2.7m??cm2條件下，導(dǎo)通電阻降低約20%。

如果要在電機驅(qū)動應(yīng)用的逆變器中使用SiC MOSFET，這種經(jīng)證實的取舍改進將至關(guān)重要。東芝正在繼續(xù)進行評估，以提高動態(tài)特性和可靠性，并開發(fā)有助于碳中和的有吸引力的高性能功率半導(dǎo)體。

12月3日至7日在美國舊金山舉行的第68屆IEEE國際電子元件年會(IEEE International Electron Devices Meeting)是一次國際功率半導(dǎo)體會議，會上報道了這項成就的詳細情況。

注：

[1] 導(dǎo)通電阻是MOSFET在工作(導(dǎo)通)期間漏極和源極之間的電阻值。

[2] 截至2022年11月，東芝研究。

審核編輯：湯梓紅