一种具有分裂栅和集成SBD的半超结沟槽 SiC MOSFET 学术资讯

Figure 1 Device structures and performance comparison of three devices.

研究背景：

宽禁带半导体碳化硅（SiC）材料具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率等突出优点，能满足下一代电力电子设备对功率半导体器件更大功率、更低功耗、更小体积和更高工作温度的需求。因此，SiC功率器件广泛应用于电动汽车、列车牵引、高压直流输电等设备中的功率电子系统。然而，SiC MOSFET也面临着栅氧化层中高电场尖峰造成击穿电压降低、可靠性下降以及双极退化等研究热点问题。同时，MOSFET作为开关器件在电路拓扑应用中需要反向续流，采用外接续流二极管会增加系统体积且引入寄生效应，导致功耗增加和频率降低。

主要创新点介绍：

本文提出了一种具有分裂栅（Split gate）和集成肖特基势垒二极管（Schottky barrier diode, SBD）的半超结（Semi-superjunction）沟槽SiC MOSFET（S3-TMOS）新结构，其主要特征包括：①该结构在源极槽侧壁形成肖特基接触，实现低反向导通压降（VF）并节省芯片面积，且有效抑制体二极管开启带来的反向导通压降高和双极退化问题；②漂移区采用半超结结构，一方面提高漂移区掺杂浓度以实现低比导通电阻（Ron,sp），另一方面优化电场分布而提高耐压，并且PN条间相互耗尽作用可抑制泄漏电流；③分裂栅结构将部分栅漏电容（CGD）转化为漏源电容，显著提高开关速度。与相同尺寸的常规槽栅MOSFET（C-TMOS）相比，S3-TMOS的Baliga优值（FOM=BV2/Ron,sp）提高了两倍以上，VF降低了42%，CGD降低了74%。

应用意义：

S3-TMOS新结构通过在源极槽侧壁集成SBD、引入分裂栅和半超结结构，实现了更低反向导通压降和导通功耗、更高的击穿电压和开关速度，并抑制双极退化效应，避免了通过外部反向并联SBD所带来的封装体积大与成本增加等问题。因此，S3-TMOS可用于高功率、高频和抗辐照应用领域，能实现低功耗、小型化和更长续航时间/距离。

来源：中国科学信息科学

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