东芝开发带嵌入式肖特基势垒二极管的低导通电阻高可靠性SiC MOSFET

东芝电子元件及存储装置株式会社(Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation)和东芝株式会社(Toshiba Corporation)（统称“东芝”）已经开发了一种碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。该晶体管将嵌入式肖特基势垒二极管(SBD)排列成方格状（方格状嵌入式SBD），以实现低导通电阻和高可靠性。东芝已经证实，与目前的SiC MOSFET相比，这种设计能够在不影响可靠性的前提下，将导通电阻[1] (RonA)降低约20%。[2]

东芝：新开发的方格状SBD嵌入式SiC MOSFET的MOSFET示意图（图示：美国商业资讯）


东芝：1.2kV级SiC MOSFET特性取舍（图示：美国商业资讯）

功率元件是管理电能和减少各种电子设备的功率损耗以及实现碳中和社会的基本组件。碳化硅能够提供比硅更高的电压和更低的损耗，是公认的新一代元件材料。尽管碳化硅现阶段的应用主要局限于列车逆变器，但在车辆电气化和工业设备小型化等领域，已经开始出现更广泛的应用。然而，一个亟待解决的问题是：在SiC MOSFET反向操作期间，体二极管中的双极传导会降低电阻，进而造成不良影响。

东芝电子元件及存储装置株式会社开发了一种将SBD嵌入MOSFET的元件结构来抑制体二极管，但其发现，用嵌入式SBD取代MOSFET沟道会降低沟道密度并增加导通电阻。这一取舍问题现在已经通过新的嵌入式SBD结构得以解决，东芝证实，该结构能够显著提高性能特性。

通过部署方格状SBD分布，东芝改善了SBD嵌入式SiC MOSFET传导损耗，并实现了良好的二极管导电性。对具有优化设计的1.2kV级SBD嵌入式MOSFET的侧电流特性的评估证实，使用方格设计将嵌入式SBD固定在体二极管附近能够有效限制寄生二极管的双极传导，而反向传导的单极电流限制是由相同SBD面积消耗的电流条状SBD图案设计实现的单极电流限制的两倍。在2.7mΩ・cm2条件下，导通电阻降低约20%。

如果要在电机驱动应用的逆变器中使用SiC MOSFET，这种经证实的取舍改进将至关重要。东芝正在继续进行评估，以提高动态特性和可靠性，并开发有助于碳中和的有吸引力的高性能功率半导体。

12月3日至7日在美国旧金山举行的第68届IEEE国际电子元件年会（IEEE International Electron Devices Meeting）是一次国际功率半导体会议，会上报道了这项成就的详细情况。

注：
[1] 导通电阻是MOSFET在工作（导通）期间漏极和源极之间的电阻值。
[2] 截至2022年11月，东芝研究。

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