SiC MOSFET的短沟道效应

原文标题：Practical Aspects and Body Diode Robustness of a 1200 V SiC Trench MOSFET

 

原文作者：Thomas Basler

 

原文发表在 PCIM Europe 2018, 5 – 7 June 2018, Nuremberg

 

 

Si IGBT和SiC沟槽MOSFET之间有许多电气及物理方面的差异，Practical Aspects and Body Diode Robustness of a 1200V SiC Trench MOSFET 这篇文章主要分析了在SiC MOSFET中比较明显的短沟道效应、Vth滞回效应、短路特性以及体二极管的鲁棒性。直接翻译不免晦涩难懂，不如加入自己的理解，重新梳理一遍，希望能给大家带来更多有价值的信息。今天我们着重看下第一部分——短沟道效应。
 

 

Si IGBT/MOSFET与SiC MOSFET，尽管衬底材料不一样，但是形成栅极氧化层的材料却是一样的——都是SiO2。SiC-SiO2界面缺陷大于Si-SiO2界面，界面缺陷会降低反型层沟道迁移率，进而提高沟道电阻。对于SiC MOSFET，尽管人们花了很多精力来提高沟道迁移率，但其迁移率仍然远远低于硅的IGBT/MOSFET。

 

因此，商用SiC MOSFET会设计成具有相对较短的反型层沟道，以尽量减少其沟道电阻。对于1200V的SiC MOSFET来说，沟道电阻对整个RDS,on的贡献最大，这与高压Si MOSFET完全不同。此外，对于沟槽MOSFET，由于SiC漂移区厚度较低，基极掺杂较高，因此沟道区附近的电场强度（特别是在开关期间）比Si MOSFET高。为了保护栅极氧化物，必须有一个屏蔽结构，这在所有现代SiC MOSFET概念中都可以找到。与硅器件相比，上述效应导致了更明显的漏极势垒降低效应（DIBL-或短沟道效应）。DIBL效应的原理大家可以在百度搜到，这里就不再赘述了。DIBL效应造成的明显的现象是——随着漏极-源极电压VDS的增加，栅-源极阈值电压VGS（th）会随之降低，见图1。

 

Fig.1:不同制造商1200V SiC MOSFET的VGS(th)曲线，Infineon-沟槽,M1-沟槽,M2-平面

 

 

 

DIBL效应和栅极电荷

 

由于上述的DIBL效应，与IGBT相比，SiC MOSFET的输出特性看起来有所不同。在相同VGS条件下，器件的饱和电流随VDS上升而上升。见图2。
 

 

图2：45mΩ、1200V SiC沟槽MOSFET在25°C时不同VGS下的输出特性曲线。该特性是在短路状态下，通过非常短的脉冲测量的，并在考虑到测量期间温度上升的情况。

 

硅IGBT通常使用更长的反型沟道，沟道电阻对静态损耗来说是次要的。阻断状态下的电场较小，因此，DIBL效应较低，饱和电流不会随DS电压上升而变化太大。下图（左）是IGBT的输出特性曲线，可以看到，线性区和饱和区之间的分界点很清楚，曲线进入饱和状态之后的部分非常平坦，而SiC MOSFET的分界点则没那么明显，即使进入饱和状态，电流曲线仍有一定斜率的上升。

 

典型的IGBT输出特性曲线（左）与SiC MOSFET输出特性曲线（右）

 

由于SiC-MOS器件的VGS(th)随着漏极电压的增加而减少，饱和电流ID,sat上升得更明显，原因可参见以下公式，可以看到，饱和电流与过驱动电压（VGS-VGSth）的平方成正比。

 

其中k为一个常数

W-沟道宽度,µn-电子迁移率,Cox–栅氧化层电容,L–沟道长度

 

对系统进行短路保护设计必须考虑DIBL的影响。例如，我们需要知道直流母线电压下的退饱和电流水平。在器件设计中，可以通过更有效的p-屏蔽结构和更长的沟道来减少DIBL效应。然而，这两个参数也可能导致更高的RDS,on。

 

DIBL的第二个效应可以通过图3中的栅极电荷曲线来观察。VDS变化期间的VGS是一个斜坡，而IGBT的典型栅极电荷曲线，这时是一个恒定的VGS值。

 

栅极电荷曲线对比：IGBT与SiC MOSFET

 

因此，在计算重要参数QGD时，使用斜坡时间段是不正确的。更合适的方法是将VDS波形与QG特性叠加在同一张图上，并如图3所示设置取值范围（取10%VDS~97%VDS）。

 

图3：英飞凌45mΩ/1200V芯片的栅极电荷特性（蓝色），在800V、20A、25°C、VGS-5V→15V的情况下，开通时测量，利用VDS（红色）波形提取QGD

 

这其实是在对测得的小信号电容CGD进行积分。

 

上述方法可得45mΩ器件QGD为13nC。从图3中还可以提取使VGS达到阈值水平所需的电荷（QGS,th，约18nC），可以发现QGD/QGS,th之比小于1。这有助于抑制寄生导通，即在VDS快速变化的情况下，通过CGD给栅极充电的电荷量，小于使栅极电压VGS抬升至阈值VGSth的电荷量。

 

总结一下，商业化的SiC MOSFET普遍采用短沟道设计，用来降低导通电阻，这使得DIBL（漏致势垒降低效应）比较明显。SiC MOSFET中的DIBL效应首先表现在饱和电流随VDS上升而上升，其次表现在栅极电荷曲线中的米勒平台段呈斜线。从图中计算得出SiC的QGD需要将VDS与栅极电荷曲线叠加在一起，通过限定边界条件的方式得出。