大主宰天蚕土豆小说,yy玄幻小说排行榜完本,旷世神医

最新超級(jí)結(jié)MOSFET技術(shù)還能否與第三帶半導(dǎo)體一教高下？

2021-08-14 12:15:21 TechInsights

點(diǎn)擊關(guān)注->創(chuàng)芯網(wǎng)公眾號(hào)，后臺(tái)告知EETOP論壇用戶名，獎(jiǎng)勵(lì)200信元

現(xiàn)在碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 產(chǎn)品都在市場(chǎng)上產(chǎn)生影響，很容易認(rèn)為硅 (Si) 在電力電子產(chǎn)品中不再占有一席之地。這些寬帶隙 (WBG) 材料提供的優(yōu)勢(shì)使基于硅的器件過時(shí)了。雖然幾乎可以肯定的是，在未來十年內(nèi)，Si 的市場(chǎng)份額相對(duì)于 WBG 而言將下降，但它似乎不太可能很快消失。

TechInsights 的電源專家一致認(rèn)為 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 產(chǎn)品具有廣泛的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用，例如：

數(shù)據(jù)中心（服務(wù)器電源等）
光伏發(fā)電機(jī)用功率調(diào)節(jié)器
不間斷電源供應(yīng)
汽車
- 車載充電
- 逆變器
工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)
可再生能源
- 太陽能逆變器
開關(guān)電源

碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 產(chǎn)品與硅 (Si) 技術(shù)

我們最近分析了東芝最新的“DTMOS VI”超級(jí)結(jié) (SJ) MOSFET，即采用開爾文源的 TOLL 封裝的 TK065U65Z。該器件的額定電壓為 650 V，25°C 時(shí)的電流為 38 A，東芝引述的導(dǎo)通電阻 (R DSON ) 為 51 mΩ。將其轉(zhuǎn)換為我們的芯片測(cè)量中的特定導(dǎo)通電阻 (R DSON *A)，結(jié)果為 16.81mΩ.cm2。

東芝 DTMOS VI' 超級(jí)結(jié) (SJ) MOSFET、TK065U65Z 顯微圖像和規(guī)格

圖1顯示了器件MOSFET陣列的橫截面，這看起來像一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的垂直MOSFET設(shè)計(jì)。只有在觀察顯示相對(duì)摻雜物濃度的圖2時(shí)，才能觀察到SJ結(jié)構(gòu)。

圖 2. 東芝 DTMOS VISJ-MOSFET 的掃描電容顯微鏡 (SCM) 圖像，詳細(xì)說明了相對(duì)摻雜濃度

與 DTMOS IV 的比較

2013 年，我們也在 PowerEssentials 報(bào)告中分析了來自 DTMOS IV 代的東芝 TK31J60W 600 V、31 A、25°C SJ-MOSFET。我們對(duì)該器件的裸片測(cè)量得出的 R DSON *A 為 18.54 mΩ.cm2，比新器件高約 10%。

盡管結(jié)構(gòu)上大體相似，但代際之間最明顯的兩個(gè)差異是：

較舊的 DTMOS IV 器件具有溝槽柵極而不是平面柵極。
單元布局不同，DTMOS IV采用一維條紋，而DTMOS VI則采用平行排列的封閉單元。

圖3 顯示了DTMOS IV器件的柵極通過p型孔突出到N型漂移區(qū)，通道是沿著p型孔的界面垂直形成的溝槽。

在DTMOS VI的情況下，柵極位于Si芯片的頂部，與P型柱的邊緣重疊，沿表面形成一個(gè)水平通道。

這里有幾個(gè)對(duì)比鮮明的變化。

溝槽設(shè)計(jì)的實(shí)施往往會(huì)增加單元封裝密度。這可能使我們相信，在較早的一代中應(yīng)該存在更高的電流密度和潛在的更低的 R DSON*A。
相反，封閉單元設(shè)計(jì)的 DTMOS VI 器件的單元布局在芯片上提供了更多的通道面積。

顯然東芝已經(jīng)決定平面布局更合適。DTMOS VI 確實(shí)具有較低的R DSON *A，因此在這種情況下，單元布局必須取代由溝槽設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的封裝密度。他們選擇這個(gè)的確切原因很難確定，但可能有幾個(gè)因素在起作用：

溝槽設(shè)計(jì)往往具有更復(fù)雜的制造工藝和更高的光刻掩模數(shù)量。與電荷平衡柱對(duì)齊也很重要，但也適用于平面結(jié)構(gòu)。
可靠性和開關(guān)之間的權(quán)衡可能是一個(gè)因素，溝槽拐角處的高電場(chǎng)可能會(huì)帶來挑戰(zhàn)，因?yàn)殚_關(guān) SJ-MOSFET 自然具有大電容，因此需要仔細(xì)平衡所有相關(guān)器件指標(biāo)以確保高效和可靠的運(yùn)行。特別是因?yàn)檫@些采用 TOLL 封裝的最新器件聲稱開啟和關(guān)閉開關(guān)損耗均降低了 50% 以上。

與寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體的競(jìng)爭(zhēng)力

650V級(jí)別的功率半導(dǎo)體器件的競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，而且會(huì)變得更加激烈。汽車市場(chǎng)的機(jī)遇意味著每一種材料和制造商都在試圖通過獨(dú)特的解決方案獲得優(yōu)勢(shì)。雖然SiC和GaN很自然地處于這個(gè)電壓等級(jí)，但SJ使硅達(dá)到了這個(gè)水平。在反向偏壓下，電荷平衡柱抵消了MOSFET漂移區(qū)的電荷，允許在漂移區(qū)進(jìn)行更多的摻雜，從而使R DSON值更低，更具競(jìng)爭(zhēng)力。

那么東芝 DTMOSVI的 R DSON *A 與 WBG 的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比如何呢？圖 4 顯示了 R DSON *A 與擊穿電壓的關(guān)系圖。黃色星形器件是 DTMOS VI，藍(lán)色圓圈代表各種額定電壓的 SiC MOSFET。

顯然在這個(gè)指標(biāo)上它無法競(jìng)爭(zhēng)，我們已經(jīng)觀察到 600 V SiSJ-MOSFET 的電阻低至 14 mΩ.cm2，很難設(shè)想任何SJ-MOSFET會(huì)低于10 mΩ.cm2，這些器件的擴(kuò)展正接近極限。

硅仍然可以真正保持競(jìng)爭(zhēng)力的地方在于成本。這些器件通常在8吋甚至12吋晶圓上制造。SiC 仍然只能在 6吋襯底上進(jìn)行批量生產(chǎn)，而且起始材料和器件制造成本都更高。因此，雖然 WBG 在性能競(jìng)賽中領(lǐng)先，但要真正讓硅的未來受到質(zhì)疑，還需要器件制造的成本等效。