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目前碳化硅（SiC）被廣泛視為下一代功率器件的材料，因為它比硅的電壓更高，損耗更低。然而，雖然碳化硅器件具有很大的發(fā)展前景，但該類器件的產(chǎn)品可靠性一直備受爭議，這也使其使用情況和市場增長受到了阻礙。其中一個重要問題是當電流流過位于功率MOSFET源極和漏極之間的PN二極管[1]時，晶體缺陷會擴大，這會增加導通電阻并降低器件可靠性。
為解決碳化硅器件可靠性問題，東芝開發(fā)了一種新型SiC MOSFET[2]器件結構，可同時實現(xiàn)高溫下更高可靠性和更低功率損耗。當采用新器件結構的3300V芯片處于175℃[3]，高溫下時，其電流水平是東芝現(xiàn)有器件結構的兩倍以上，新器件結構可在沒有任何可靠性損失的情況下良好運行，而且在室溫下，3300V芯片的導通電阻比現(xiàn)有器件降低約20%，1200V芯片的導通電阻比現(xiàn)有器件降低約40%。[4]
東芝開發(fā)的新器件結構-肖特基勢壘二極管[5]（SBD）內(nèi)嵌式MOSFET通過在MOSFET中放置一個與PN二極管并聯(lián)的肖特基勢壘二極管以防止PN結二極管運行；相較于PN結二極管，內(nèi)嵌肖特基勢壘二極管的通態(tài)電壓更低，電流通過內(nèi)嵌肖特基勢壘二極管，可抑制導通電阻的變化。該器件結構在PCIM Europe 2020（國際電力電子系統(tǒng)及元器件展覽會[6]）上獲得報道，并于2020年8月引入產(chǎn)品中。
雖然肖特基勢壘二極管（SBD）內(nèi)嵌式MOSFET結構具有較高的性能，但在175℃以上的高溫下，該器件結構只能處理有限電流密度。然而加速采用碳化硅器件要求碳化硅器件在高溫下保持高電流能力和高可靠性。
新器件結構
此次新器件結構是對肖特基勢壘二極管內(nèi)嵌式MOSFET器件的修改，其通過應用25%的工藝縮小和優(yōu)化設計來加強肖特基勢壘二極管對PN二極管中電流的抑制。與東芝目前的器件結構相比，采用了新器件結構的3300V芯片結構在175℃時的電流密度增加了一倍以上，同時并未造成任何可靠性的損失。新器件結構還可在室溫下將3300V芯片的導通電阻降低約20%，并可將1200V芯片的導通電阻降低約40%。
東芝新型肖特基勢壘二極管內(nèi)嵌式MOSFET器件結構在175℃高溫下提高可靠性該成果的詳細信息已于在線舉行的2021年紐倫堡電力電子系統(tǒng)及元器件展（PCIM Europe 2021）和美國電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）贊助的2021年國際功率半導體器件與集成電路會議（ISPSD 2021）上報道過。
東芝于今年5月開始提供采用新器件結構的3.3kV級碳化硅功率模塊樣品出貨。
注：[1] PN二極管：由源極和漏極之間的pn結形成的二極管。
[2] MOSFET：金屬氧化物半導體場效應晶體管。[3]?在175℃的漏源電壓測量中，東芝目前的肖特基勢壘二極管[5]（SBD）內(nèi)嵌式MOSFET器件結構中的PN二極管會在110A/cm2的電流密度下發(fā)生作用。東芝新MOSFET器件結構中，即使在250A/cm2的電流密度下，PN二極管也不會發(fā)生動作。截至2021年6月，東芝的測試結果。[4]?截至2021年6月，東芝對這兩款芯片的測試結果。[5]?肖特基勢壘二極管：由半導體與金屬結形成的半導體二極管。[6] 2020年7月30日的新聞稿中報道了該技術的詳細信息 “可提高碳化硅（SiC）MOSFET可靠性的東芝新器件結構問世"。
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