日本川崎——東芝電子元件及存儲裝置株式會社(簡稱“東芝”)研發(fā)了一項創(chuàng)新技術(shù)，該技術(shù)可在增強溝槽型碳化硅(SiC)MOSFET[2]的UIS耐用性[3]的同時，顯著降低其因?qū)娮鑋1]而產(chǎn)生的損耗。同時，東芝還研發(fā)了半超結(jié)[4]肖特基勢壘二極管(SJ-SBD)，有效解決了高溫下導(dǎo)通電阻增大的問題。這兩項技術(shù)突破有望顯著提升功率轉(zhuǎn)換器件的可靠性與效率，尤其在電動汽車和可再生能源系統(tǒng)等領(lǐng)域。

功率半導(dǎo)體為所有電氣設(shè)備供電并控制電力，對于節(jié)能和碳中和的實現(xiàn)至關(guān)重要。隨著汽車的電氣化和工業(yè)設(shè)備的微型化，預(yù)計對功率半導(dǎo)體的需求與日俱增。SiC MOSFET尤其如此。作為下一代器件，SiC MOSFET憑借其遠(yuǎn)超傳統(tǒng)硅(Si)MOSFET的功率轉(zhuǎn)換效率，正獲得日益廣泛的關(guān)注。其中，溝槽型SiC MOSFET以其獨特的溝槽式柵極降低了導(dǎo)通電阻，SiC肖特基勢壘二極管(SBD)則憑借金屬半導(dǎo)體結(jié)實現(xiàn)了高效的功率轉(zhuǎn)換，它們均廣泛應(yīng)用于電動汽車和可再生能源系統(tǒng)等高效功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。然而，這些應(yīng)用場景通常伴隨著高溫工作環(huán)境，對可靠性和效率提升構(gòu)成了嚴(yán)峻的考驗。

溝槽型SiC MOSFET需要保護柵極氧化層免受高電場的影響。然而，由于電場保護結(jié)構(gòu)[6]的UIS耐用性與接地電阻[5]之間的關(guān)系尚不明確，因此要同時實現(xiàn)高柵極氧化層可靠性與低導(dǎo)通電阻便極具挑戰(zhàn)。

此外，盡管SiC SBD能承受比傳統(tǒng)Si SBD更高的工作溫度，但需要面對高溫下電阻增加進而造成導(dǎo)通電阻變大的問題。

東芝研發(fā)了兩項關(guān)鍵技術(shù)來解決這些問題。

1提高溝槽型SiC MOSFET的UIS耐用性的技術(shù)

東芝研究發(fā)現(xiàn)，通過在溝槽型SiC MOSFET的溝槽中構(gòu)建保護層(圖1)，并適當(dāng)降低底部p阱的接地電阻，可提高UIS耐用性。這一發(fā)現(xiàn)明確了以往不確定的UIS耐用性與電場保護結(jié)構(gòu)接地電阻之間的關(guān)系。與傳統(tǒng)的平面型SiC MOSFET相比，東芝制作的溝槽型SiC MOSFET原型將導(dǎo)通電阻降低了約20%(圖2)。

圖1. 溝槽型SiC MOSFET結(jié)構(gòu)及底部p阱位置

圖2. 傳統(tǒng)平面型SiC MOSFET與溝槽型SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻比較(東芝測試結(jié)果)

2SiC SJ-SBD特性的改進

此外，東芝還研發(fā)了SiC SJ-SBD，通過在漂移層中置入基極[7]來抑制高溫下電阻的增加(圖3(b))。通過比較傳統(tǒng)的SiC SBD(圖3(a))和SiC SJ-SBD在不同溫度下的導(dǎo)通電阻變化[8]，東芝證實了SiC SJ-SBD在高溫下具有更低的導(dǎo)通電阻(圖4)。這是由于超級結(jié)(SJ)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了平坦的電場分布并降低了導(dǎo)通電阻。與傳統(tǒng)的SiC SBD相比，東芝研發(fā)的650V SiC SJ-SBD在175℃(448.15K)高溫下將導(dǎo)通電阻降低了約35%。

圖3. 傳統(tǒng)SiC SBD與SiC SJ-SBD的結(jié)構(gòu)

圖4. 傳統(tǒng)SiC SBD與SiC SJ-SBD 導(dǎo)通電阻與溫度依賴性比較(東芝測試結(jié)果)

這兩項技術(shù)進一步降低了溝槽型SiC MOSFET和SiC SBD的損耗，提高了未來用于高效功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用的器件的可靠性和效率，尤其是在電動汽車和可再生能源系統(tǒng)等領(lǐng)域。東芝將致力于進一步優(yōu)化這些技術(shù)并加速其產(chǎn)業(yè)化進程。

在6月1日至5日于日本熊本舉行的第37屆國際功率半導(dǎo)體器件與IC研討會(ISPSD 2025 ISPSD)上，東芝介紹了這些新技術(shù)的詳細(xì)信息。此項成就基于新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)(NEDO)的項目補貼而取得。

[1] 導(dǎo)通電阻是MOSFET工作時(導(dǎo)通)漏極與源極之間的電阻值。

[2] MOSFET：金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，這是一種具有三個電極的開關(guān)元件：柵極、漏極和源極。通過向柵極施加電壓，它在漏極與源極之間切換導(dǎo)通和關(guān)斷電流。

[3] UIS(非鉗位感性開關(guān))耐用性：功率器件承受開關(guān)過程中由感性負(fù)載引起的能量浪涌的能力。UIS耐用性越高，在惡劣工作條件下的耐久性和可靠性越高。

[4] 超級結(jié)(SJ)：一種在漂移層中交替形成p型基極和n型基極的結(jié)構(gòu)。

[5] 接地電阻：從底部p阱結(jié)構(gòu)延伸至源極金屬的總電阻。

[6] 電場保護結(jié)構(gòu)：溝槽型MOSFET中的一種結(jié)構(gòu)特征，旨在減輕器件處于關(guān)斷狀態(tài)(即不導(dǎo)電)時對柵極氧化層的影響，有助于提高高壓條件下柵極氧化層的可靠性。

[7] 基極：在漂移層內(nèi)形成的摻雜半導(dǎo)體材料的基極區(qū)域。在SJ-SBD中，p型和n型基極交替排列以構(gòu)建超級結(jié)結(jié)構(gòu)。

[8] SBD的導(dǎo)通電阻：根據(jù)電流-電壓(I-V)曲線的斜率計算得出，并減去SiC襯底的電阻值。

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