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增強型M1H CoolSiC MOSFET的技術解析及可靠性考量

英飛凌工業(yè)半導體 ? 2023-11-28 08:13 ? 次閱讀

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? 增強型M1H CoolSiC芯片又“強“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)功率技術大會(IPAC)上,發(fā)表了《增強型M1H CoolSiC MOSFET的技術解析及可靠性考量》的演講,深入剖析了CoolSiC MOSFET的器件結構,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的臨界場強約是Si的10倍。對于高壓Si基MOSFET來說,漂移區(qū)電阻占總導通電阻的主要分量。SiC臨界擊穿場強高,要達到相同的耐壓,可以使用更薄以及更高摻雜的漂移區(qū),從而大大降低了導通電阻。

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(b)IGBT是雙極性器件,電子和空穴同時參與導電,關斷時空穴復合產生拖尾電流,增加了關斷損耗。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的應用范圍。

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(c)SiC材料為器件設計即帶來了機遇也帶來了挑戰(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,可能導致早期擊穿、閾值漂移、導通電阻上升等問題,最終威脅到器件的壽命和可靠性。

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2

為什么SiC MOSFET需要溝槽柵

(a)SiC材料的應用使得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鍵。

(b)根據溝道電阻的公式,可以采用以下手段,但是會加大可靠性風險:

多元胞并聯(lián)導致高成本和高短路電流

降低柵氧化層厚度將導致柵氧化層應力上升,對柵極可靠性造成影響

提高驅動電壓,同樣會加大柵氧化層應力

降低閾值電壓,可能會帶來串擾問題

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。可以利用這一特性解決上述難題。

(d) 比較溝槽柵和平面柵兩種技術,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,為了維持低導通電阻,平面型需要更薄的柵極氧化層,柵氧應力高,可靠性差。

(e) 英飛凌CoolSiC MOSFET采用非對稱溝槽柵結構,有如下技術點:

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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溝槽拐角

JFET區(qū)域限制短路電流,增加可靠性。

3

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。而平面型SiC MOSFET 柵氧化層厚度普遍低于溝槽柵。柵氧化層的電壓應力與厚度成反比,過高的電場應力使得器件經時擊穿的風險增加。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。

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(b)在長期的開關過程中,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,進一步改善了柵氧化層質量,使得閾值漂移可以忽略不計。當到達預期目標壽命時,導通電壓為18V時,預計25°C時的RDS(on)的相對變化小于6%,175°C時小于3%。

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(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通現(xiàn)象。

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4

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。

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(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。

5

總結

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

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