雖然硅基功率 MOSFET 在過(guò)去幾十年中已經(jīng)得到優(yōu)化，但它們的電阻已經(jīng)降低到了可能的極限。但是，對(duì)于碳化硅 MOSFET，還不能說(shuō)同樣的話。在其商業(yè)發(fā)布十年后，SiC 功率 MOSFET 制造商通常會(huì)隨著每一代新器件的發(fā)布而將其特定導(dǎo)通電阻降低 30% 至 40%。正如本系列之前的文章（此處和此處）所討論的，低導(dǎo)通電阻對(duì)于獲得更小的芯片和器件至關(guān)重要，從而提高產(chǎn)量并最終提高利潤(rùn)。

本文基于PGC 咨詢公司進(jìn)行的分析，研究了當(dāng)今的 650-V 和 1，200-V SiC MOSFET，揭示了這些問(wèn)題，包括柵極氧化物可靠性的優(yōu)化，這有助于降低比導(dǎo)通電阻，降低碳化硅成本。

在之前的文章中，我們看到了 Si MOSFET 多年來(lái)是如何不斷改進(jìn)的，以及它們?nèi)绾稳匀槐憩F(xiàn)出出色的性能水平。然而，硅非常接近其技術(shù)極限，無(wú)法進(jìn)一步降低特定導(dǎo)通電阻。結(jié)果，不能進(jìn)一步增加可以從單個(gè)晶片獲得的管芯數(shù)量。另一方面，SiC 提供了顯著的改進(jìn)空間，1，200 V 時(shí)的 R DS（on）比理論上可能的值高出 14 倍以上（650 V 時(shí)高出 33 倍以上），從而有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)更低的開(kāi)關(guān)和傳導(dǎo)損耗比等效額定的硅基 IGBT。

擊穿電壓注意事項(xiàng)

通過(guò)比較不同商用 MOSFET 的性能，PGC 咨詢公司發(fā)現(xiàn)，具有最低特定導(dǎo)通電阻的同類最佳 650-V MOSFET 實(shí)際上在 1，250 V 時(shí)擊穿。同樣，同類最佳 1，200-V MOSFET 擊穿電壓降至 1，550 V，如圖 1 的漏源電流與漏源電壓曲線所示。這表明了 SiC 器件的過(guò)度設(shè)計(jì)程度。就上下文而言，最佳的硅器件將被設(shè)計(jì)為在略高于其額定電壓的情況下?lián)舸⒕哂?50 至 100 V 的裕度。因此，最先進(jìn)的商用 SiC 器件具有遠(yuǎn)高于該電壓等級(jí)嚴(yán)格要求的漂移區(qū)電阻。

圖 1：測(cè)得的 650V 和 1，200V 額定 SiC MOSFET 的擊穿電壓

解釋 SiC MOSFET 過(guò)額定的主要原因是柵極氧化物的可靠性。雖然 SiC 能夠承受高臨界電場(chǎng)，但柵極氧化物泄漏（及其可靠性）與穿過(guò)它的電場(chǎng)成正比。例如，如果一個(gè) 650V 的器件在 700V 時(shí)真正擊穿，則柵極下方的高電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致良率問(wèn)題，并且在柵極應(yīng)力老化鑒定期間，很大比例的器件會(huì)出現(xiàn)故障。因此，漂移區(qū)的過(guò)度設(shè)計(jì)以承受更大的電壓，實(shí)際上是降低了 MOSFET 的額定值，以確保柵極可靠性。

SiC MOSFET的分壓電阻

如圖 2 所示，SiC MOSFET 的電阻由不同因素組合而成。其中，唯一與阻斷電壓成函數(shù)關(guān)系的分量是漂移區(qū)電阻 （R Dr ）。所有其他固定電阻元件應(yīng)小于 R Dr，從而使器件能夠像 Si 器件一樣處于理想的單極極限。

圖 2：影響 SiC MOSFET 電阻的因素

最大的固定電阻包括高摻雜襯底 （R Subs ）、溝道電阻 （R Ch ） 和來(lái)自 JFET 區(qū)域的電阻 （R JFET ）。此外，總電阻僅考慮器件的有源區(qū)域，因此不考慮器件周邊的 SiC 區(qū)域，這些區(qū)域?qū)儆诮K端和劃線通道，即不打算承載任何電流的區(qū)域。

圖 3：PGC 咨詢模型

圖 3 顯示了 PGC 咨詢公司如何模擬每個(gè)組件在確定 650 V 和 1，200 V 額定器件的整體 SiC 特定導(dǎo)通電阻方面的影響。兩種器件之間的主要區(qū)別在于漂移區(qū)，而其他組件的貢獻(xiàn)實(shí)際上與電壓無(wú)關(guān)。

在固定貢獻(xiàn)者中，通道阻力最大。氧化時(shí)，硅和 SiC 都會(huì)產(chǎn)生二氧化硅 （SiO 2 ），它是 MOS 晶體管中使用的絕緣體。在硅的情況下，這個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一個(gè)幾乎完美且光滑的界面，不會(huì)阻礙電子通過(guò)它。然而，當(dāng) SiC 被氧化時(shí)，它的一些碳仍然被困在 SiO 2 /SiC 界面中，當(dāng)電子從其下方通過(guò)時(shí)，這會(huì)散射電子。因此，SiC 的溝道遷移率約為 20 至 30 cm 2 /Vs（與硅的 200 cm 2 /Vs 相比），因此，SiC 的每單位長(zhǎng)度的溝道電阻是 Si 的 10 倍。

襯底電阻來(lái)自SiC的N+起始襯底，具有較高的電阻率。這種電阻通過(guò)減薄來(lái)降低，大多數(shù)芯片制造商正在將制造后 350-μm SiC 襯底的厚度降低到 100–150 μm 的事實(shí)證明了這一點(diǎn)。

在平面設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)在柵極下方使用更高摻雜的區(qū)域（稱為“電荷存儲(chǔ)層”）來(lái)降低 JFET 區(qū)域的電阻。在溝槽設(shè)計(jì)中，該組件的貢獻(xiàn)被消除了。

碳化硅限制

可以更新上一篇文章中介紹的 SiC 的單極極限圖，添加空心圓圈，這是在減去估計(jì)的封裝電阻后重新計(jì)算的同類最佳 MOSFET，并且僅使用模具（見(jiàn)圖4）。

圖 4：增加電阻后修改的單極極限圖

圖 4 中還添加了 SiC 通道和襯底電阻的估計(jì)值，表示為與電壓無(wú)關(guān)的水平線?！敖殿~ SiC 單極極限”曲線表示必須將 MOSFET 降額至其潛在電壓額定值的 50% 以確保柵極氧化物可靠性的效果。最后，點(diǎn)劃線是固定電阻和降額漂移區(qū)的添加，顯示了最先進(jìn)的 SiC 技術(shù)。

解決柵極氧化物問(wèn)題是所有 SiC 芯片制造商的首要任務(wù)，因?yàn)樗兄诮档屯ǖ离娮韬徒殿~。同時(shí)，更薄、電阻更低的基板將有助于進(jìn)一步降低損耗?！　?/p>