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来源:三菱电机半导体

优化元胞设计和采用再氧化工艺的高性能4H-SiC MOSFETs


Toshikazu Tanioka, Yuji Ebiike, 

Yasunori Oritsuki, Masayuki Imaizumi, 

Masayoshi Tarutani,

三菱电机功率器件制作所

 本文介绍了三菱电机第二代两类4H-SiC MOSFETs器件的特性。通过优化元胞结构设计,为大功率应用开发了具有极低的通态比电阻(3.0mΩ·cm2@25℃)和开关损耗的1200V SiC MOSFETs。通过采用再氧化工艺,为小功率开发的1200V SiC MOSFETs能够实现更高的开通阈值电压,即使在高阈值电压下(4.5V),同样具有很低的通态比电阻(4.4mΩ·cm2@25℃)。根据应用功率要求,可以选择不同类别的SiC MOSFETs,极大地扩展了SiC功率器件的应用领域。

——《摘 要》

1、引 言

SiC器件有利于提高电力电子系统的效率。三菱电机为家电、工业、铁路牵引等应用开发了不同电压等级的SiC产品[1-5]。为了拓展SiC器件的应用,有必要针对不同的应用开发不同特性的SiC器件[6]。


2、第二代大电流SiC MOSFETs


2.1  MOS元胞结构

图1为第二代SiC MOSFETs芯片的剖面图。为了提高其电气特性,优化了MOS元胞结构,例如P阱深度、沟道掺杂浓度和JFET长度。优化JFET方面,采用一种N型JFET掺杂工艺。为了获得适合的栅极氧化层电场强度,通过器件仿真的方法来确定JFET掺杂浓度。最终,MOS元胞间距比上一代减小了26%,同时保持了较低的通态比电阻Ron,sp和高可靠性的栅极氧化层。


图1  第二代SiC MOSFETs芯片剖面图


2.2  静态特性

适合大功率应用的1200V第二代SiCMOSFETs栅极电压设计为标准驱动电压:开通+15V,关断-15V。


其与第一代SiC MOSFETs输出特性曲线对比如图2所示。在IDS=100A/cm2和Tj=25℃时,第二代SiC MOSFETs的通态比电阻Ron,sp为3.0mΩ·cm2,而第一代SiC MOSFETs的通态比电阻为4.5mΩ·cm2。通过优化元胞结构,通态比电阻Ron,sp降低了33%。图3为SiCMOSFETs的转移特性曲线。在VDS=10V、IDS=100A/cm2、Tj=25℃时,Vth=1.50V;在Tj=150℃时,Vth=0.94V,可以用于负压关断的驱动器。对于平面栅MOSFET,Vth减小,会相应减小MOS沟道电阻,从而减小MOSFET损耗。图4为第二代SiC MOSFETs的通态比电阻与温度的依赖关系。从图中可以看出,通态比电阻为正温度系数,可以在高温下稳态工作,即使在Tj=150℃,通态比电阻只有4.6mΩ·cm2。图5为寄生电容与VDS的关系曲线,测试频率为100kHz,Tj=25℃。由于JFET面积的减小,相对于第一代SiC MOSFETs,第二代SiCMOSFETs的Crss更小,这有利于提高SiC MOSFETs的开关特性,从而降低开关损耗。


图2.1200VSiC MOSFETs输出特性曲线对比 (左)

图3.第二代SiC MOSFETs转移特性曲线(右)


图4.第二代SiC MOSFETs通态比电阻Vs.温度 (左) 

图5.第二代SiC MOSFETs寄生电容Vs.VDS (右)


2.3  动态特性

通过双脉冲测试来评估其动态特性,测试条件为: VDS=600V, IDS=100A, RG(ext)=43Ω,VGS(on)=15V, VGS(off)=-15V, Tj=150℃。1200V第一代和第二代SiC MOSFETs的开通和关断波形如图6和图7。


从图6开通波形可以看出,第二代SiC MOSFETs VDS从600V下降到0V的时间和IDS从0A到100A的时间都会变得更短,所以其开通损耗Eon更小,相对于第一代SiC MOSFETs大概下降了23%。其中,转移特性提高和Crss减小使开通损耗变小。


从图7关断波形可以看出,第二代SiC MOSFETs VDS从0V下降到600V的时间相对更短,相对于第一代SiCMOSFETs,其关断损耗Eoff大概下降了37%。图8为第二代SiC MOSFETs开关损耗与外部栅极驱动电阻的关系。随着栅极驱动电阻的减小,开关损耗线性减小,当RG=5Ω时,Eon=0.49mJ,Eoff=2.4mJ。以上描述的特性表明,第二代大电流SiC MOSFETs因为其低损耗,适合于大功率应用,例如工业系统、新能源发电等。


图6.1200V SiCMOSFETs开通波形对比(左)   

图7.1200V SiC MOSFETs关断波形对比(右)




图8. 1200V 第二代SiC MOSFETs开关损耗Vs. 外部电阻



3、第二代高开通阈值电压Vth SiC MOSFETs

3.1  高开通阈值电压Vth SiC MOSFETs再氧化工艺

第二代高开通阈值电压Vth SiC MOSFETs设计的栅极关断电压为0V,在MOS栅极氧化层形成过程中采用独有的再氧化工艺,在保证低通态比电阻Ron,sp的同时增大开通阈值电压Vth至4V。三菱电机采用此再氧化工艺的600V SiC MOSFETs已经在家电用DIPIPMTM上使用。

接下来,通过再氧化工艺优化MOS元胞设计,三菱电机会开发1200V高开通阈值电压VthSiCMOSFETs。


3.2  静态特性

图9为1200V高Vth SiC MOSFETs的转移特性曲线,在VDS=10V、IDS=100mA/cm2、Tj=25℃时,Vth=4.50V;Vth会随着温度的上升的下降,在Tj=150℃时,Vth=3.7V,正驱动电源同样可以满足要求。

图9. 1200V 第二代高VthSiC MOSFETs转移特性曲线





图10.第二代高VthSiC MOSFETs输出特性曲线(左)    

图11.通态比电阻Vs.温度(右)




图10为其输出特性曲线。图11为Ron,sp在IDS=100A/cm2的温度变化曲线,包含VGS=15V和VGS=18V。虽然Ron,sp比上文第2节描述的低Vth SiC MOSFETs要高,但是考虑Vth=4.5V,Ron,sp依然还是比较低的:Ron,sp=4.4 mΩ·cm2@Tj=25℃,Ron,sp=5.3 mΩ·cm2@Tj=175℃。当VGS=18V时,Ron,sp=3.4 mΩ·cm2@Tj=25℃。


同时,我们确认了Vth的可靠性测试:Vth在VGS=-5V和Tj=175℃依然保持稳定。


3.3  动态特性

动态特性同样通过双脉冲测试来验证。图12为1200V高Vth SiC MOSFETs在Tj=125℃的开关波形,VDS=600V,IDS=15A,RG(ext)=68Ω,VGS(on)=15V,VGS(off)=0V,从图中可以看出,即使在150℃工况下,拖尾电流依然比较小,Eon=0.89mJ,Eoff=0.56mJ。



图12(a).第二代高Vth SiC MOSFETs开通波形(左)  

图12(b).第二代高Vth SiC MOSFETs开通波形(右)


图13为外部驱动电阻RG(ext)与开关损耗的关系,随着RG(ext)的下降,开关损耗也快速下降,在RG(ext)=2.2Ω时,Eon=0.16mJ,Eoff=0.11mJ。

图13. 第二代高VthSiC MOSFETs开关损耗Vs.外部电阻




以上所描述的特性表明,高Vth SiC MOSFETs适合于小功率应用,例如家电等。



4、结 论

本文描述了三菱电机第二代两类平面栅4H-SiC MOSFETs器件的静态特性和动态特性。通过优化元胞结构,在Tj=25℃时,第二代1200V 适合大功率应用的SiC MOSFETs通态比电阻Ron,sp低至3.0mΩ·cm2,并且开关损耗也比较小。通过采用再氧化工艺,在Tj=25℃时,第二代1200V 高Vth的SiC MOSFETs通态比电阻Ron,sp为4.4mΩ·cm2,同时Vth=4.5V使其可以在正驱动电源下工作。第二代4H-SiC MOSFETs有助于扩展SiC器件的应用领域。





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