A nova estrutura do dispositivo da Toshiba melhora o SiC mosfet Confiabilidade em alta temperatura e reduz a perda de energia
TÓQUIO-Toshiba Eletrônico Devices & Storage Corporation (“Toshiba”) desenvolveu um novo SiC MOSFET [1] estrutura do dispositivo que atinge simultaneamente maior confiabilidade em altas temperaturas e menor perda de energia. Em um chip de 3300V a 175 ℃[2], um nível de corrente mais do dobro da estrutura atual da Toshiba, a nova estrutura opera sem qualquer perda de confiabilidade e também reduz a resistência específica à temperatura ambiente em cerca de 20% para um chip de 3300V e 40% para um chip de 1200V. [3]
O carboneto de silício (SiC) é amplamente visto como o material da próxima geração para dispositivos de energia, pois fornece tensões mais altas e perdas menores do que o silício. Embora os dispositivos de energia SiC sejam agora utilizados principalmente em inversores para trens, uma aplicação mais ampla está no horizonte, incluindo em sistemas de energia fotovoltaica e sistemas de gerenciamento de energia de equipamentos industriais. No entanto, o uso e o crescimento do mercado de dispositivos SiC foram impedidos por problemas de confiabilidade. Um problema é a expansão dos defeitos do cristal quando a corrente flui através do diodo PN [4] posicionado entre a fonte e o dreno de um MOSFET de energia, o que aumenta a resistência e diminui a confiabilidade do dispositivo.
A Toshiba desenvolveu uma nova estrutura de dispositivo, um MOSFET com um diodo de barreira Schottky embutido [5] (SBD) que avançou na resolução desse problema. Isso foi relatado na PCIM Europa 2020, uma potência internacional Semicondutores conferência [6], e introduzida nos produtos em agosto de 2020. Essa estrutura impede a operação do diodo PN posicionando um SBD em paralelo ao diodo PN no MOSFET; o SBD incorporado tem um estado mais baixo Voltagem do que o diodo PN, e a corrente flui através dele, suprimindo mudanças na resistência.
No entanto, essa estrutura pode lidar apenas com densidade de corrente limitada em altas temperaturas de 175 ℃ ou mais. A adoção acelerada de dispositivos SiC requer dispositivos SiC que mantenham alta capacidade de corrente e alta confiabilidade em altas temperaturas.
A nova estrutura é uma modificação do dispositivo MOSFET embutido em SBD, obtida aplicando uma redução de processo de 25% e otimizando o design para fortalecer a supressão de corrente do SBD no diodo PN. Isso gerou uma estrutura de chip de 3300 V com mais do que o dobro da densidade de corrente a 175 ℃ em comparação com a estrutura atual da Toshiba, sem perda de confiabilidade. A estrutura também reduz a resistência específica em cerca de 20% em um chip de 3300V e cerca de 40% em um chip de 1200V em temperatura ambiente.
Detalhes da conquista foram relatados no PCIM Europe 2021 e no Simpósio Internacional sobre Energia patrocinado pelo IEEE Semicondutores Dispositivos e ICs 2021 (ISPSD 2021), ambos realizados online.
A Toshiba iniciou o envio de amostras de uma fonte de alimentação SiC classe 3.3kV módulo com a nova estrutura em maio deste ano.
A estrutura do novo MOSFET integrado em SBD da Toshiba
Melhoria de confiabilidade em 175℃ [2]
Notas
[1] MOSFET: efeito de campo de semicondutor de óxido metálico Transistor
[2] Na medição de tensão da fonte de drenagem em 175 ℃, a ação do diodo PN do atual MOSFET integrado em SBD da Toshiba ocorre a uma densidade de corrente de 110 A / cm2. A ação do diodo PN do novo MOSFET da Toshiba não ocorre nem mesmo com uma densidade de corrente de 250 A / cm2. Em junho de 2021, os resultados dos testes da Toshiba.
[3] Em junho de 2021 para ambos os chips, os resultados dos testes da Toshiba.
[4] Diodo PN: Um diodo formado pela junção pn entre a fonte e o dreno.
[5] Díodo de barreira Schottky: Um diodo semicondutor formado pela junção de um semicondutor com um metal.
[6] Detalhes do tecnologia foram relatados em um comunicado à imprensa em 30 de julho de 2020, “A nova estrutura de dispositivo da Toshiba melhora a confiabilidade do SiC MOSFET”