3300V SiC MOSFET器件设计与新结构研究
发布时间：2021-08-30 21:35
近年来,随着半导体技术的迅速发展,传统硅基器件性能已经逼近其理论极限。在难以大幅度地优化硅基器件性能背景下,碳化硅功率器件因其大电流、高电压、高频率、低损耗的特点,能够显著的提升系统的性能而备受青睐。特别是在高效能源转换方面,碳化硅功率器件发挥着非常重要的作用。SiC MOSFET因为具有导通电阻低、热稳定性好、开关速度快、阻断电压高的优点,成为了目前发展最快的功率半导体器件之一。在当前的电力电子的应用环境下,高频是一个极其重要的应用需求。在高频应用中,SiC MOSFET的动态损耗成为了系统损耗的主要来源,并且决定着电路系统的应用效率。然而,SiC MOSFET的现有性能还未达到其理论水平。基于SiC MOSFET在高频情况下动态损耗较大的问题,本文设计优化了一种集成肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode,SBD）的3300V SiC分裂栅MOSFET（SSG-MOS）器件,并且为了进一步改善器件的高频优值HF-FOM(9,)×2（9）),提出了集成SBD的缓冲栅结构的SiC MOSFET（Buffered Gate...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同功率半导体工作频率和应用领域
电子科技大学硕士学位论文4N-driftN+subDrainGateSchottkySourceP-wellP-wellP+OhmicN+N+P+OhmicPolyPolyDrainN+subN+wellPwellPP+P+P+P+N+OhmicOhmicSchottkyN-drift（a）（b）图1-3集成SBD的SiCMOSFET结构。（a）JFET区集成SBD的SiCMOSFET[18]；（b）改进后的集成SBD的MOSFET结构[19]2016年,WoonjeSung等人提出了一种将SiCJBS与MOSFET集成在同一个衬底上的设计方案，从而形成了集成JBS的SiCMOSFET的结构[20]。如图1-4（a），（b）所示，分别给出了该器件的结构图和版图。由于JBS和MOSFET的终端区域是共用的，相比常规相同等级的SiCMOSFET，集成JBS的SiCMOSFET可以节省10%的芯片面积。此外，该器件的损耗也大大降低，更适用于高频的应用场景。（a）（b）图1-4集成了JBS的MOSFET结构及版图[20]。（a）元胞结构图；（b）版图设计2017年，YusukeKobayashi等人提出了一种新型集成SBD的沟槽型SiCMOSFET（SWITCH-MOS)[21]，如图1-5所示。该器件在沟槽型SiCMOSFET体内集成肖特基接触，此肖特基接触为竖直方向，与沟道方向平行，同时该器件也在肖特基接触的下方设置了P+保护结构。实验结果表明，所设计的集成SBD的沟槽SiCMOSFET基本性能与常规沟槽SiCMOSFET相同，同时具有较低的比导通电阻和开关损耗。
电子科技大学硕士学位论文6图1-7具有三级保护结构的肖特基二极管的SiC沟槽MOSFET[24]目前，国际上SiCMOSFET的主要生产厂商有Cree、ROHM、Infineon、STMicroelectronics、ONSemiconductor，Microsemi等。Cree推出的1200VSiCMOSFET产品综合能力强，具有极好的可靠性，雪崩耐量（EAS）达到了2J，不过其阈值电压偏低。ROHM推出的SiCMOSFET产品采用的是doubletrench结构，该结构具有较低的反向恢复电荷低和泄漏电流。Infineon推出的SiCMOSFET采用的是CoolSiC超结结构，该结构的阈值电压达到4.5V，抗干扰能力强，动态损耗较小并且几乎与温度无关。STMicroelectronics推出的SiCMOSFET产品的最高工作温度可达到200℃，而其他厂商的同类产品的最高温度只能达到175℃。ONSemiconductor推出的1200VSiCMOSFET器件具有较小的开关损耗以及较低的反向恢复电荷，但是，该产品的反向泄露电流较大，并且雪崩耐量极低，仅171mJ。Microsemi推出的1200VSiCMOSFET产品具有较低的结壳热阻0.3K/W，该产品的鲁棒性性能较好，具有较高的EAS，达到了2J，在母线电压为960V时，短路时间能达到3μs。不过该产品的开关特性以及反向恢复特性较差。我国在SiC功率器件的研究方面起步较晚，距国际上的顶尖水平还有一定距离。不过，国家目前加大了对碳化硅半导体材料的重视，投入了众多资源支持有关方面的研究。国内目前也有不少厂商如泰科天润、基本半导体和瑞能半导体等陆续推出了SiC功率器件产品。泰科天润目前主要以SiC肖特基二极管系列产品为主，覆盖600V，1200V，1700V，3300V等应用等级，器件的封装类型主要为To-247，To-220。深圳基本半导体推出的SiC产品主要包括SiC二极管和SiCMOSFET。2018年10月，该公司推出了1200VSiCMOSFET产品，该款产品是国内首个拥有自主知识产权
【参考文献】：
期刊论文
[1]SiC MOSFET体二极管反向恢复特性研究[J]. 史孟,彭咏龙,李亚斌,江涛. 电力科学与工程. 2016(09)
[2]电力电子器件及其应用的现状和发展[J]. 钱照明. 变频器世界. 2014(06)
[3]宽禁带半导体SiC功率器件发展现状及展望[J]. 张波,邓小川,张有润,李肇基. 中国电子科学研究院学报. 2009(02)
[4]4H-SiC外延中的缺陷及其对肖特基二极管的影响[J]. 陈刚,陈雪兰,柏松,李哲洋,韩平. 半导体技术. 2008(S1)
[5]场限环的简单理论[J]. 陈星弼. 电子学报. 1988(03)
本文编号：3373535
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同功率半导体工作频率和应用领域
电子科技大学硕士学位论文4N-driftN+subDrainGateSchottkySourceP-wellP-wellP+OhmicN+N+P+OhmicPolyPolyDrainN+subN+wellPwellPP+P+P+P+N+OhmicOhmicSchottkyN-drift（a）（b）图1-3集成SBD的SiCMOSFET结构。（a）JFET区集成SBD的SiCMOSFET[18]；（b）改进后的集成SBD的MOSFET结构[19]2016年,WoonjeSung等人提出了一种将SiCJBS与MOSFET集成在同一个衬底上的设计方案，从而形成了集成JBS的SiCMOSFET的结构[20]。如图1-4（a），（b）所示，分别给出了该器件的结构图和版图。由于JBS和MOSFET的终端区域是共用的，相比常规相同等级的SiCMOSFET，集成JBS的SiCMOSFET可以节省10%的芯片面积。此外，该器件的损耗也大大降低，更适用于高频的应用场景。（a）（b）图1-4集成了JBS的MOSFET结构及版图[20]。（a）元胞结构图；（b）版图设计2017年，YusukeKobayashi等人提出了一种新型集成SBD的沟槽型SiCMOSFET（SWITCH-MOS)[21]，如图1-5所示。该器件在沟槽型SiCMOSFET体内集成肖特基接触，此肖特基接触为竖直方向，与沟道方向平行，同时该器件也在肖特基接触的下方设置了P+保护结构。实验结果表明，所设计的集成SBD的沟槽SiCMOSFET基本性能与常规沟槽SiCMOSFET相同，同时具有较低的比导通电阻和开关损耗。
电子科技大学硕士学位论文6图1-7具有三级保护结构的肖特基二极管的SiC沟槽MOSFET[24]目前，国际上SiCMOSFET的主要生产厂商有Cree、ROHM、Infineon、STMicroelectronics、ONSemiconductor，Microsemi等。Cree推出的1200VSiCMOSFET产品综合能力强，具有极好的可靠性，雪崩耐量（EAS）达到了2J，不过其阈值电压偏低。ROHM推出的SiCMOSFET产品采用的是doubletrench结构，该结构具有较低的反向恢复电荷低和泄漏电流。Infineon推出的SiCMOSFET采用的是CoolSiC超结结构，该结构的阈值电压达到4.5V，抗干扰能力强，动态损耗较小并且几乎与温度无关。STMicroelectronics推出的SiCMOSFET产品的最高工作温度可达到200℃，而其他厂商的同类产品的最高温度只能达到175℃。ONSemiconductor推出的1200VSiCMOSFET器件具有较小的开关损耗以及较低的反向恢复电荷，但是，该产品的反向泄露电流较大，并且雪崩耐量极低，仅171mJ。Microsemi推出的1200VSiCMOSFET产品具有较低的结壳热阻0.3K/W，该产品的鲁棒性性能较好，具有较高的EAS，达到了2J，在母线电压为960V时，短路时间能达到3μs。不过该产品的开关特性以及反向恢复特性较差。我国在SiC功率器件的研究方面起步较晚，距国际上的顶尖水平还有一定距离。不过，国家目前加大了对碳化硅半导体材料的重视，投入了众多资源支持有关方面的研究。国内目前也有不少厂商如泰科天润、基本半导体和瑞能半导体等陆续推出了SiC功率器件产品。泰科天润目前主要以SiC肖特基二极管系列产品为主，覆盖600V，1200V，1700V，3300V等应用等级，器件的封装类型主要为To-247，To-220。深圳基本半导体推出的SiC产品主要包括SiC二极管和SiCMOSFET。2018年10月，该公司推出了1200VSiCMOSFET产品，该款产品是国内首个拥有自主知识产权
【参考文献】：
期刊论文
[1]SiC MOSFET体二极管反向恢复特性研究[J]. 史孟,彭咏龙,李亚斌,江涛. 电力科学与工程. 2016(09)
[2]电力电子器件及其应用的现状和发展[J]. 钱照明. 变频器世界. 2014(06)
[3]宽禁带半导体SiC功率器件发展现状及展望[J]. 张波,邓小川,张有润,李肇基. 中国电子科学研究院学报. 2009(02)
[4]4H-SiC外延中的缺陷及其对肖特基二极管的影响[J]. 陈刚,陈雪兰,柏松,李哲洋,韩平. 半导体技术. 2008(S1)
[5]场限环的简单理论[J]. 陈星弼. 电子学报. 1988(03)
本文编号：3373535
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