東芝電子元件及存儲(chǔ)裝置株式會(huì)社(Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation)和東芝株式會(huì)社(Toshiba Corporation)(統(tǒng)稱“東芝”)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種碳化硅(SiC)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。該晶體管將嵌入式肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)排列成方格狀(方格狀嵌入式SBD)，以實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻和高可靠性。東芝已經(jīng)證實(shí)，與目前的SiC MOSFET相比，這種設(shè)計(jì)能夠在不影響可靠性的前提下，將導(dǎo)通電阻[1] (RonA)降低約20%。[2]

功率元件是管理電能和減少各種電子設(shè)備的功率損耗以及實(shí)現(xiàn)碳中和社會(huì)的基本組件。碳化硅能夠提供比硅更高的電壓和更低的損耗，是公認(rèn)的新一代元件材料。盡管碳化硅現(xiàn)階段的應(yīng)用主要局限于列車(chē)逆變器，但在車(chē)輛電氣化和工業(yè)設(shè)備小型化等領(lǐng)域，已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。然而，一個(gè)亟待解決的問(wèn)題是：在SiC MOSFET反向操作期間，體二極管中的雙極傳導(dǎo)會(huì)降低電阻，進(jìn)而造成不良影響。

東芝電子元件及存儲(chǔ)裝置株式會(huì)社開(kāi)發(fā)了一種將SBD嵌入MOSFET的元件結(jié)構(gòu)來(lái)抑制體二極管，但其發(fā)現(xiàn)，用嵌入式SBD取代MOSFET溝道會(huì)降低溝道密度并增加導(dǎo)通電阻。這一取舍問(wèn)題現(xiàn)在已經(jīng)通過(guò)新的嵌入式SBD結(jié)構(gòu)得以解決，東芝證實(shí)，該結(jié)構(gòu)能夠顯著提高性能特性。

通過(guò)部署方格狀SBD分布，東芝改善了SBD嵌入式SiC MOSFET傳導(dǎo)損耗，并實(shí)現(xiàn)了良好的二極管導(dǎo)電性。對(duì)具有優(yōu)化設(shè)計(jì)的1.2kV級(jí)SBD嵌入式MOSFET的側(cè)電流特性的評(píng)估證實(shí)，使用方格設(shè)計(jì)將嵌入式SBD固定在體二極管附近能夠有效限制寄生二極管的雙極傳導(dǎo)，而反向傳導(dǎo)的單極電流限制是由相同SBD面積消耗的電流條狀SBD圖案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的單極電流限制的兩倍。在2.7m??cm2條件下，導(dǎo)通電阻降低約20%。

如果要在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的逆變器中使用SiC MOSFET，這種經(jīng)證實(shí)的取舍改進(jìn)將至關(guān)重要。東芝正在繼續(xù)進(jìn)行評(píng)估，以提高動(dòng)態(tài)特性和可靠性，并開(kāi)發(fā)有助于碳中和的有吸引力的高性能功率半導(dǎo)體。

12月3日至7日在美國(guó)舊金山舉行的第68屆IEEE國(guó)際電子元件年會(huì)(IEEE International Electron Devices Meeting)是一次國(guó)際功率半導(dǎo)體會(huì)議，會(huì)上報(bào)道了這項(xiàng)成就的詳細(xì)情況。

注：

[1] 導(dǎo)通電阻是MOSFET在工作(導(dǎo)通)期間漏極和源極之間的電阻值。

[2] 截至2022年11月，東芝研究。

審核編輯：湯梓紅