SiC MOSFET的短溝道效應(yīng)

原文標(biāo)題：Practical Aspects and Body Diode Robustness of a 1200 V SiC Trench MOSFET

原文作者：Thomas Basler

原文發(fā)表在 PCIM Europe 2018, 5 – 7 June 2018, Nuremberg

Si IGBT和SiC溝槽MOSFET之間有許多電氣及物理方面的差異，Practical Aspects and Body Diode Robustness of a 1200V SiC Trench MOSFET這篇文章主要分析了在SiC MOSFET中比較明顯的短溝道效應(yīng)、Vth滯回效應(yīng)、短路特性以及體二極管的魯棒性。直接翻譯不免晦澀難懂，不如加入自己的理解，重新梳理一遍，希望能給大家?guī)?lái)更多有價(jià)值的信息。今天我們著重看下第一部分——短溝道效應(yīng)。

Si IGBT/MOSFET與SiC MOSFET，盡管襯底材料不一樣，但是形成柵極氧化層的材料卻是一樣的——都是SiO2。SiC-SiO2界面缺陷大于Si-SiO2界面，界面缺陷會(huì)降低反型層溝道遷移率，進(jìn)而提高溝道電阻。對(duì)于SiC MOSFET，盡管人們花了很多精力來(lái)提高溝道遷移率，但其遷移率仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硅的IGBT/MOSFET。

因此，商用SiC MOSFET會(huì)設(shè)計(jì)成具有相對(duì)較短的反型層溝道，以盡量減少其溝道電阻。對(duì)于1200V的SiC MOSFET來(lái)說(shuō)，溝道電阻對(duì)整個(gè)RDS,on的貢獻(xiàn)最大，這與高壓Si MOSFET完全不同。此外，對(duì)于溝槽MOSFET，由于SiC漂移區(qū)厚度較低，基極摻雜較高，因此溝道區(qū)附近的電場(chǎng)強(qiáng)度（特別是在開(kāi)關(guān)期間）比Si MOSFET高。為了保護(hù)柵極氧化物，必須有一個(gè)屏蔽結(jié)構(gòu)，這在所有現(xiàn)代SiC MOSFET概念中都可以找到。與硅器件相比，上述效應(yīng)導(dǎo)致了更明顯的漏極勢(shì)壘降低效應(yīng)（DIBL-或短溝道效應(yīng)）。DIBL效應(yīng)的原理大家可以在百度搜到，這里就不再贅述了。DIBL效應(yīng)造成的明顯的現(xiàn)象是——隨著漏極-源極電壓VDS的增加，柵-源極閾值電壓VGS（th）會(huì)隨之降低，見(jiàn)圖1。

Fig.1:不同制造商1200V SiC MOSFET的VGS(th)曲線，Infineon-溝槽,M1-溝槽,M2-平面

DIBL效應(yīng)和柵極電荷

由于上述的DIBL效應(yīng)，與IGBT相比，SiC MOSFET的輸出特性看起來(lái)有所不同。在相同VGS條件下，器件的飽和電流隨VDS上升而上升。見(jiàn)圖2。

圖2：45mΩ、1200V SiC溝槽MOSFET在25°C時(shí)不同VGS下的輸出特性曲線。該特性是在短路狀態(tài)下，通過(guò)非常短的脈沖測(cè)量的，并在考慮到測(cè)量期間溫度上升的情況。

硅IGBT通常使用更長(zhǎng)的反型溝道，溝道電阻對(duì)靜態(tài)損耗來(lái)說(shuō)是次要的。阻斷狀態(tài)下的電場(chǎng)較小，因此，DIBL效應(yīng)較低，飽和電流不會(huì)隨DS電壓上升而變化太大。下圖（左）是IGBT的輸出特性曲線，可以看到，線性區(qū)和飽和區(qū)之間的分界點(diǎn)很清楚，曲線進(jìn)入飽和狀態(tài)之后的部分非常平坦，而SiC MOSFET的分界點(diǎn)則沒(méi)那么明顯，即使進(jìn)入飽和狀態(tài)，電流曲線仍有一定斜率的上升。

典型的IGBT輸出特性曲線（左）與SiC MOSFET輸出特性曲線（右）

由于SiC-MOS器件的VGS(th)隨著漏極電壓的增加而減少，飽和電流ID,sat上升得更明顯，原因可參見(jiàn)以下公式，可以看到，飽和電流與過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓（VGS-VGSth）的平方成正比。

其中k為一個(gè)常數(shù)

W-溝道寬度,μn-電子遷移率,Cox–柵氧化層電容,L–溝道長(zhǎng)度

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行短路保護(hù)設(shè)計(jì)必須考慮DIBL的影響。例如，我們需要知道直流母線電壓下的退飽和電流水平。在器件設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)更有效的p-屏蔽結(jié)構(gòu)和更長(zhǎng)的溝道來(lái)減少DIBL效應(yīng)。然而，這兩個(gè)參數(shù)也可能導(dǎo)致更高的RDS,on。

DIBL的第二個(gè)效應(yīng)可以通過(guò)圖3中的柵極電荷曲線來(lái)觀察。VDS變化期間的VGS是一個(gè)斜坡，而IGBT的典型柵極電荷曲線，這時(shí)是一個(gè)恒定的VGS值。

柵極電荷曲線對(duì)比：IGBT與SiC MOSFET

因此，在計(jì)算重要參數(shù)QGD時(shí)，使用斜坡時(shí)間段是不正確的。更合適的方法是將VDS波形與QG特性疊加在同一張圖上，并如圖3所示設(shè)置取值范圍（取10%VDS~97%VDS）。

圖3：英飛凌45mΩ/1200V芯片的柵極電荷特性（藍(lán)色），在800V、20A、25°C、VGS-5V→15V的情況下，開(kāi)通時(shí)測(cè)量，利用VDS（紅色）波形提取QGD

這其實(shí)是在對(duì)測(cè)得的小信號(hào)電容CGD進(jìn)行積分。

上述方法可得45mΩ器件QGD為13nC。從圖3中還可以提取使VGS達(dá)到閾值水平所需的電荷（QGS,th，約18nC），可以發(fā)現(xiàn)QGD/QGS,th之比小于1。這有助于抑制寄生導(dǎo)通，即在VDS快速變化的情況下，通過(guò)CGD給柵極充電的電荷量，小于使柵極電壓VGS抬升至閾值VGSth的電荷量。

總結(jié)一下，商業(yè)化的SiC MOSFET普遍采用短溝道設(shè)計(jì)，用來(lái)降低導(dǎo)通電阻，這使得DIBL（漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)）比較明顯。SiC MOSFET中的DIBL效應(yīng)首先表現(xiàn)在飽和電流隨VDS上升而上升，其次表現(xiàn)在柵極電荷曲線中的米勒平臺(tái)段呈斜線。從圖中計(jì)算得出SiC的QGD需要將VDS與柵極電荷曲線疊加在一起，通過(guò)限定邊界條件的方式得出。