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4H-SiC MOSFET器件新结构及反向恢复特性研究

张科  
【摘要】:随着电力电子系统对电压级别和电流能力要求的日益提高,以碳化硅为代表的第三代半导体正受到越来越多的关注。其中SiC MOSFET以其优良的电学性能获得了广泛的应用。与相同耐压级别的硅器件相比,SiC MOSFET的工作频率更高、电阻更小、极限工作温度也要更高。SiC MOSFET在桥式电路、逆变器等电源管理系统中的应用使得人们越发关注其反向恢复能力。为了避免SiC MOSFET固有的双极退化效应影响器件的电学特性,同时提升器件的反向恢复能力,在实际应用中通常给SiC MOSFET反并联一个肖特基二极管,而在SiC MOSFET元胞内集成肖特基二极管更是能进一步解决由此带来的寄生电感和封装成本等问题。本文针对这一目的,提出了两种集成肖特基二极管的SiC MOSFET,并通过软件仿真对其工作机理和电学特性进行研究。1.提出一种集成肖特基二极管的槽栅SiC MOSFET器件(Trench MOSFET with SBD,S-TMOS),该结构的特征在于槽栅侧壁的P型屏蔽层和元胞表面的肖特基接触。当器件处于耐压状态时,槽栅侧壁的P型屏蔽层与N型外延层相互耗尽,一方面可以有效保护肖特基结不受高电场的影响,另一方面还可以屏蔽栅极与漏极之间的耦合作用。当器件处于续流状态时,肖特基二极管优先导通,使得S-TMOS的反向导通压降小于常规的SiC MOSFET,进而减小了续流时的损耗。同时,肖特基结的引入使得S-TMOS在续流时漂移区内存储的自由载流子大幅减少,反向恢复时抽取更快,因此,S-TMOS可以实现更好的反向恢复特性。仿真结果表明,与常规的SiC MOSFET相比,新结构的反向导通电压从2.7V下降至1.6V,反向恢复时间明显缩短,反向恢复电荷减小了82%,电流峰值也从138 A/cm~2下降至31A/cm~2。2.提出一种集成肖特基二极管的分裂栅双槽SiC MOSFET器件(Split-Gate and Double Trench MOSFET with SBD,SSGDT-MOS)。该结构的栅极引入了接源极电位的屏蔽栅,用来屏蔽栅极与漏极之间的耦合作用,进而有效降低了栅漏电容和栅漏电荷,器件的开关特性大幅提升。同时,肖特基二极管的引入使得器件的反向恢复性能大幅提升,而源极槽可以有效地保护肖特基结和栅氧。仿真结果显示,新结构的栅漏电容和栅漏电荷相较于常规结构分别减小了97%和96%,关断损耗也从4.91mJ/cm~2降低至0.27mJ/cm~2。在反向恢复特性方面,新结构的反向恢复时间从51ns缩短到26ns,反向恢复电荷减少了68%,反向恢复峰值电流也从127A/cm~2下降至65 A/cm~2。


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