【原】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？

畢杰lb7q1kq7pr 2021-08-14

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現(xiàn)在碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 產(chǎn)品都在市場上產(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 1. 東芝 DTMOS VISJ-MOSFET 的 SEM 橫截面圖像

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)體的競爭力

650V級(jí)別的功率半導(dǎo)體器件的競爭非常激烈，而且會(huì)變得更加激烈。汽車市場的機(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。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，更具競爭力。

那么東芝 DTMOSVI的 R _DSON *A 與 WBG 的競爭對(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)上它無法競爭，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爭力的地方在于成本。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。