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功率器件技术 SiC器件 ★ 4.0

一种4H-SiC 1.7 kV额定嵌入式TMBS UMOSFET

A 4H-SiC 1.7 kV Rated TMBS-Embedded UMOSFET

作者 Jia-Wei Hu · Kuan-Min Kang · Chih-Fang Huang
期刊 IEEE Electron Device Letters
出版日期 2025年7月
技术分类 功率器件技术
技术标签 SiC器件
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 4H - SiC TMBS二极管 UMOSFET 导通电阻 反向导通电压
语言:

中文摘要

本文提出并验证了一种新型的嵌入沟槽式金属氧化物半导体势垒肖特基(TMBS)二极管的 4H - 碳化硅(4H - SiC)UMOSFET。制备并评估了 TMBS 与 UMOS 比例为 0、1/3 和 1/2 的 MOSFET。一款沟槽深度为 1.5 微米、台面宽度为 1.6 微米的 UMOSFET,其比导通电阻(R<sub>on, sp</sub>)为 5.8 毫欧·平方厘米,击穿电压(BV)为 2040 伏。嵌入 TMBS 单元的器件击穿电压无下降,TMBS 与 UMOS 比例为 1/3 和 1/2 的器件比导通电阻略有增加,分别为 6.9 和 7.3 毫欧·平方厘米。在电流密度(J<sub>D</sub>)为 200 安/平方厘米时,TMBS 与 UMOS 比例为 1/3 和 1/2 的器件第三象限反向导通电压(V<sub>SD</sub>)分别从 6.3 伏降至 4.2 伏和 3.5 伏。测量了高温下的直流特性,由此可提取第一象限比导通电阻(R<sub>on, sp</sub>)和阈值电压(V<sub>TH</sub>)以及第三象限反向导通电压(V<sub>SD</sub>)的温度依赖性。最后,提取了最大单极工作电压和电流,为无双极退化的操作提供了指导。

English Abstract

A novel Trench MOS Barrier Schottky (TMBS) diode embedded UMOSFET in 4H-SiC is proposed and demonstrated in this work. MOSFETs with TMBS/UMOS ratio of 0, 1/3, and 1/2 are fabricated and evaluated. A UMOSFET where the trench depth is 1.5~ m and the mesa width is 1.6~ m shows a R _ on, {sp} of 5.8 m cm2 and a BV of 2040 V. Devices with TMBS cells embedded show no breakdown voltage degradation, and slightly increased R _ on, {sp} of 6.9 and 7.3 m cm2 for devices with TMBS/UMOS ratios of 1/3 and 1/2 respectively. The third quadrant reverse conduction voltage VSD is reduced from 6.3 V to 4.2 V and 3.5 V at a JD of 200 A/cm2 for devices with TMBS/UMOS =1/3 and 1/2, respectively. DC characteristics at elevated temperatures are measured, from which the temperature dependence of R _ on, {sp} and VTH in the first quadrant and VSD in the third quadrant can be extracted. Finally, the maximum unipolar operating voltage and current are extracted to provide guidelines for operation without bipolar degradation.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项4H-SiC 1.7kV TMBS嵌入式UMOSFET技术具有重要的战略价值。该技术通过在沟槽MOSFET中嵌入肖特基势垒二极管单元,实现了功率器件性能的显著优化,这与我们在光伏逆变器和储能系统中对高效率、高可靠性功率半导体的需求高度契合。

技术核心价值体现在三个方面:首先,器件在保持2040V击穿电压和5.8-7.3 mΩ·cm²低导通电阻的同时,第三象限反向导通压降从6.3V大幅降至3.5V,这意味着在逆变器桥臂续流工作模式下能显著降低导通损耗,直接提升系统效率0.3-0.5个百分点。其次,嵌入式TMBS结构可避免体二极管的双极退化问题,这对提高我们1500V光伏系统和储能变流器的长期可靠性至关重要。第三,该技术通过优化TMBS/UMOS比例可实现性能定制化,为不同应用场景的功率模块设计提供了灵活性。

从应用成熟度评估,该技术已完成器件级验证并获得完整的温度特性数据,处于从实验室向产业化过渡的关键阶段。对阳光电源而言,主要机遇在于:可应用于新一代高频化、高功率密度逆变器设计,特别是在储能双向变流器中,第三象限特性改善将带来显著的往返效率提升。

技术挑战主要集中在SiC工艺的成本控制和大规模量产一致性。建议我们的功率器件团队密切跟踪该技术路线,评估与现有供应链的兼容性,并考虑在下一代3.3kV以上电压等级产品中的应用潜力,这将为我们在中高压大功率市场保持技术领先地位提供有力支撑。