增強(qiáng)型M1H CoolSiC MOSFET的技術(shù)解析及可靠性考量

碳化硅MOSFET在材料與器件特性上不同于傳統(tǒng)硅，如何保證性能和可靠性的平衡是所有廠家需要面對的首要問題，英飛凌作為業(yè)界為數(shù)不多的采用溝槽柵做SiC MOSFET 的企業(yè)，如何使用創(chuàng)新的非對稱溝槽柵既解決柵極氧化層的可靠性問題、又提高了SiC MOSFET 的性能? 增強(qiáng)型M1H CoolSiC芯片又“強(qiáng)“在哪里？英飛凌零碳工業(yè)功率事業(yè)部高級工程師趙佳女士，在2023英飛凌工業(yè)功率技術(shù)大會（IPAC）上，發(fā)表了《增強(qiáng)型M1H CoolSiC MOSFET的技術(shù)解析及可靠性考量》的演講，深入剖析了CoolSiC MOSFET的器件結(jié)構(gòu)，以及M1H芯片在可靠性方面的卓越表現(xiàn)。點擊視頻可觀看回放。

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碳化硅的材料特性

(a)SiC是寬禁帶半導(dǎo)體，它的帶隙寬度約是Si的3倍，由此帶來的好處是SiC的臨界場強(qiáng)約是Si的10倍。對于高壓Si基MOSFET來說，漂移區(qū)電阻占總導(dǎo)通電阻的主要分量。SiC臨界擊穿場強(qiáng)高，要達(dá)到相同的耐壓，可以使用更薄以及更高摻雜的漂移區(qū)，從而大大降低了導(dǎo)通電阻。

(b)IGBT是雙極性器件，電子和空穴同時參與導(dǎo)電，關(guān)斷時空穴復(fù)合產(chǎn)生拖尾電流，增加了關(guān)斷損耗。而SiC MOSFET是單極性器件，沒有拖尾電流，相比Si IGBT節(jié)省至多80%開關(guān)損耗。SiC材料大大拓展了MOSFET的電壓等級，最高電壓可到3300V以上，重新定義了MOSFET的應(yīng)用范圍。

(c)SiC材料為器件設(shè)計即帶來了機(jī)遇也帶來了挑戰(zhàn)。最大的挑戰(zhàn)在于柵氧化層界面SiC-SiO2存在較高的缺陷密度和界面電荷，可能導(dǎo)致早期擊穿、閾值漂移、導(dǎo)通電阻上升等問題，最終威脅到器件的壽命和可靠性。

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為什么SiC MOSFET需要溝槽柵

(a)SiC材料的應(yīng)用使得MOSFET漂移區(qū)非常薄，因此溝道電阻就成為了降低總電阻的關(guān)鍵。

(b)根據(jù)溝道電阻的公式，可以采用以下手段，但是會加大可靠性風(fēng)險：

多元胞并聯(lián)導(dǎo)致高成本和高短路電流

降低柵氧化層厚度將導(dǎo)致柵氧化層應(yīng)力上升，對柵極可靠性造成影響

提高驅(qū)動電壓，同樣會加大柵氧化層應(yīng)力

降低閾值電壓，可能會帶來串?dāng)_問題

最優(yōu)的辦法是增加溝道載流子遷移率un

(c)SiC-SiO2界面態(tài)密度和缺陷遠(yuǎn)大于Si-SiO2界面，SiC MOSFET溝道載流子遷移率相比IGBT偏低。溝道載流子遷移率低會導(dǎo)致溝道電阻和損耗上升。SiC是各向異性晶體，垂直晶面上的氧化層缺陷密度小于水平晶面?？梢岳眠@一特性解決上述難題。

(d) 比較溝槽柵和平面柵兩種技術(shù)，如果要保持同等柵氧可靠性，平面與溝槽需同時使用同樣厚度的柵氧化層，平面型MOS面積要顯著大于溝槽柵；如果要保持相同的芯片面積，為了維持低導(dǎo)通電阻，平面型需要更薄的柵極氧化層，柵氧應(yīng)力高，可靠性差。

(e) 英飛凌CoolSiC MOSFET采用非對稱溝槽柵結(jié)構(gòu)，有如下技術(shù)點：

溝道所使用晶面與垂直軸呈4C夾角，具有最低的界面態(tài)密度與氧化層陷阱，因而能保證最高溝道載流子遷移率

深P阱作為增強(qiáng)型體二極管，增大二極管的面積和發(fā)射效率

溝槽型底部拐角承受高電場，深P阱另一個作用是保護(hù)溝槽拐角

JFET區(qū)域限制短路電流，增加可靠性。

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CoolSiC MOSFET的可靠性考量

(a)英飛凌SiC MOSFET柵氧化層厚度與Si 器件柵氧化層厚度相當(dāng)。而平面型SiC MOSFET 柵氧化層厚度普遍低于溝槽柵。柵氧化層的電壓應(yīng)力與厚度成反比，過高的電場應(yīng)力使得器件經(jīng)時擊穿的風(fēng)險增加。可通過施加門極階躍電壓的方式來評估柵氧化層可靠性。英飛凌CoolSiC MOSFET擁有最低的失效率，并且與Si IGBT的失效特性相似。

(b)在長期的開關(guān)過程中，SiC MOSFET會出現(xiàn)閾值漂移的現(xiàn)象。這是平面型器件與溝槽型器件都需要共同面對的難題。英飛凌最早發(fā)現(xiàn)并研究了這一現(xiàn)象。最新的M1H芯片，進(jìn)一步改善了柵氧化層質(zhì)量，使得閾值漂移可以忽略不計。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)期目標(biāo)壽命時，導(dǎo)通電壓為18V時，預(yù)計25°C時的RDS(on)的相對變化小于6%，175°C時小于3%。

(c) M1H芯片的閾值電壓約4.5V，高于其他競爭對手，并且具有非常低的米勒電容。高閾值電壓能夠有效抑制寄生導(dǎo)通現(xiàn)象。

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CoolSiC MOSFET的短路特性

(a)大部分SiC MOSFET不承諾短路能力。CoolSiC是唯一承諾短路能力的SiC MOSFET。在門極15V電壓下，單管具有3us的短路時間，EASY模塊具有2us的短路時間。

(b)SiC MOSFET在短路時具有電流飽和的特性，但短路時間往往低于IGBT。這是因為SiC MOSFET具有更高的短路電流密度，更小的面積以及更薄的漂移區(qū)，使得熱量更加集中，從而降低了短路時間。

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總結(jié)

英飛凌M1H CoolSiC MOSFET非對稱溝槽柵提供性能與可靠性的最優(yōu)折衷設(shè)計