集成超势垒整流器的碳化硅槽栅MOSFET特性研究

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随着制备工艺的不断完善,碳化硅(SiC)MOSFET以其优越的材料特性,逐渐成为硅IGBT的有力替代者,可应用于轨道交通和电动汽车等中高功率电子电力领域。与平面栅型结构相比,槽栅SiC MOSFET导通电流更大,在功率应用领域更受欢迎。然而,在SiC MOSFET的应用中,采用寄生PN结体二极管续流时存在双极退化效应,并且其较高的开启电压也导致续流损耗较高。超势垒整流器(SBR)既具有单极导电特性,同时也具备开启电压低和泄漏电流小的优点,可作为续流管与功率MOSFET相结合。本文针对集成SBR的槽栅SiC MOSFET展开系统研究,具体研究内容与成果如下:(1)提出了集成SBR的双沟槽型SiC MOSFET(DT-SBR-MOS)。对传统双沟槽型结构(DT-MOS)进行改进,将一侧沟道用于反向导通,以减小50%饱和电流及增加9%比导通电阻(Ron,sp)为代价,将DT-SBR-MOS的反向开启电压(VF)减小到1.2V,有效抑制体二极管的开启,解决了双极退化的问题。不仅如此,更低的VF使得反向恢复损耗(ERR)降低了53.6%,以及米勒电容(CGD)减小53.5%,特征栅漏电荷(QGD,SP)减少45.5%。在开关频率为100 k Hz下,开通损耗(Eon)和关断损耗(Eoff)则分别降低了10%和48.5%。(2)提出了集成SBR的非对称型SiC MOSFET(AT-SBR-MOS)。对传统非对称型结构(AT-MOS)进行改进,在不损失正向导通与阻断特性的前提下,成功将AT-SBR-MOS的VF减小到1 V,解决了双极退化的问题。并且,更低的VF使得ERR降低了29%。CGD和输入电容(CISS)也分别减少12%和59%,QGD,SP和特征栅总电荷(QG,SP)分别降低了20%和63%,使得AT-SBR-MOS在开关频率为100 k Hz时,Eon和Eoff分别降低了53%和62%。(3)针对DT-SBR-MOS与AT-SBR-MOS的结构特点,提出了结构参数优化方案。分析表明,当假栅底部氧化层非屏蔽宽度(WDGN)为0.1μm或P-base区宽度(WP)为0.25μm时,器件的输出与阻断特性获得优化。此外,对器件动态可靠性的研究表明,AT-SBR-MOS的雪崩耐量比DT-SBR-MOS高出11%,并在给定界面态和固定电荷的条件下,AT-SBR-MOS的雪崩耐量高出1.34倍。而单次脉冲短路特性仿真表明,两者短路耐量均约为16 J/cm~2。综上所述,本文对两种传统SiC MOSFET结构进行了改进,研究成果可应用于轨道交通和电动汽车等中高功率电子电力领域。
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