增强型M1H CoolSiC MOSFET的技术解析及可靠性考量

 

碳化硅MOSFET在材料与器件特性上不同于传统硅，如何保证性能和可靠性的平衡是所有厂家需要面对的首要问题，英飞凌作为业界为数不多的采用沟槽栅做SiC MOSFET 的企业，如何使用创新的非对称沟槽栅既解决栅极氧化层的可靠性问题、又提高了SiC MOSFET 的性能? 增强型M1H CoolSiC芯片又“强“在哪里？英飞凌零碳工业功率事业部高级工程师赵佳女士，在2023英飞凌工业功率技术大会（IPAC）上，发表了《增强型M1H CoolSiC MOSFET的技术解析及可靠性考量》的演讲，深入剖析了CoolSiC MOSFET的器件结构，以及M1H芯片在可靠性方面的卓越表现。点击视频可观看回放。

 

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碳化硅的材料特性

 

 

(a) SiC是宽禁带半导体，它的带隙宽度约是Si的3倍，由此带来的好处是SiC的临界场强约是Si的10倍。对于高压Si基MOSFET来说，漂移区电阻占总导通电阻的主要分量。SiC临界击穿场强高，要达到相同的耐压，可以使用更薄以及更高掺杂的漂移区，从而大大降低了导通电阻。

 

(b) IGBT是双极性器件，电子和空穴同时参与导电，关断时空穴复合产生拖尾电流，增加了关断损耗。而SiC MOSFET是单极性器件，没有拖尾电流，相比Si IGBT节省至多80%开关损耗。SiC材料大大拓展了MOSFET的电压等级，最高电压可到3300V以上，重新定义了MOSFET的应用范围。
 

 

(c) SiC材料为器件设计即带来了机遇也带来了挑战。最大的挑战在于栅氧化层界面SiC-SiO2存在较高的缺陷密度和界面电荷，可能导致早期击穿、阈值漂移、导通电阻上升等问题，最终威胁到器件的寿命和可靠性。

 

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为什么SiC MOSFET需要沟槽栅

 

 

(a) SiC材料的应用使得MOSFET漂移区非常薄，因此沟道电阻就成为了降低总电阻的关键。

 

(b) 根据沟道电阻的公式，可以采用以下手段，但是会加大可靠性风险：

 

多元胞并联导致高成本和高短路电流

降低栅氧化层厚度将导致栅氧化层应力上升，对栅极可靠性造成影响

提高驱动电压，同样会加大栅氧化层应力

降低阈值电压，可能会带来串扰问题

最优的办法是增加沟道载流子迁移率un

 

(c) SiC-SiO2界面态密度和缺陷远大于Si-SiO2界面，SiC MOSFET沟道载流子迁移率相比IGBT偏低。沟道载流子迁移率低会导致沟道电阻和损耗上升。SiC是各向异性晶体，垂直晶面上的氧化层缺陷密度小于水平晶面。可以利用这一特性解决上述难题。

 

 

(d) 比较沟槽栅和平面栅两种技术，如果要保持同等栅氧可靠性，平面与沟槽需同时使用同样厚度的栅氧化层，平面型MOS面积要显著大于沟槽栅；如果要保持相同的芯片面积，为了维持低导通电阻，平面型需要更薄的栅极氧化层，栅氧应力高，可靠性差。

 

(e) 英飞凌CoolSiC MOSFET采用非对称沟槽栅结构，有如下技术点：

 

沟道所使用晶面与垂直轴呈4C夹角，具有最低的界面态密度与氧化层陷阱，因而能保证最高沟道载流子迁移率

深P阱作为增强型体二极管，增大二极管的面积和发射效率

沟槽型底部拐角承受高电场，深P阱另一个作用是保护沟槽拐角

JFET区域限制短路电流，增加可靠性。

 

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CoolSiC MOSFET的可靠性考量

 

 

(a) 英飞凌SiC MOSFET栅氧化层厚度与Si 器件栅氧化层厚度相当。而平面型SiC MOSFET 栅氧化层厚度普遍低于沟槽栅。栅氧化层的电压应力与厚度成反比，过高的电场应力使得器件经时击穿的风险增加。可通过施加门极阶跃电压的方式来评估栅氧化层可靠性。英飞凌CoolSiC MOSFET拥有最低的失效率，并且与Si IGBT的失效特性相似。

 

(b) 在长期的开关过程中，SiC MOSFET会出现阈值漂移的现象。这是平面型器件与沟槽型器件都需要共同面对的难题。英飞凌最早发现并研究了这一现象。最新的M1H芯片，进一步改善了栅氧化层质量，使得阈值漂移可以忽略不计。当到达预期目标寿命时，导通电压为18V时，预计25°C时的RDS(on)的相对变化小于6%，175°C时小于3%。

 

(c) M1H芯片的阈值电压约4.5V，高于其他竞争对手，并且具有非常低的米勒电容。高阈值电压能够有效抑制寄生导通现象。

 

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CoolSiC MOSFET的短路特性

 

 

(a) 大部分SiC MOSFET不承诺短路能力。CoolSiC是唯一承诺短路能力的SiC  MOSFET。在门极15V电压下，单管具有3us的短路时间，EASY模块具有2us的短路时间。

 

(b) SiC MOSFET在短路时具有电流饱和的特性，但短路时间往往低于IGBT。这是因为SiC MOSFET具有更高的短路电流密度，更小的面积以及更薄的漂移区，使得热量更加集中，从而降低了短路时间。

 

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总结         

 

 

英飞凌M1H CoolSiC MOSFET非对称沟槽栅提供性能与可靠性的最优折衷设计