用于优化开关性能的集成异质结二极管的4H-SiC沟道MOSFET

标题：4H-SiC Trench MOSFET with Integrated Heterojunction Diode for Optimizing Switching Performance

摘要

本研究提出了一种新型的4H-SiC沟道MOSFET，其在栅槽底部集成了异质结二极管（HJD-TMOS），并通过TCAD模拟进行了研究。集成的异质结二极管在反向导通中充当自由轮二极管，与传统的SiC沟道MOSFET（C-TMOS）相比，显著降低了反向恢复电荷（Q_rr）和反向开启膝压（V_on）超过2倍，同时几乎保持了相同的阈值电压和击穿电压。此外，由于栅下多晶硅的屏蔽效应，与C-TMOS相比，栅到漏电荷（Q_gd）减少了68%。因此，HJD-TMOS是高频率、高效率应用的潜在选择。

文章研究了什么

• 该文章研究了一种新型的4H-SiC沟道MOSFET，其在栅槽底部集成了异质结二极管（HJD-TMOS）。
• 集成的异质结二极管在反向导通中充当自由轮二极管，与传统的SiC沟道MOSFET（C-TMOS）相比，显著降低了反向恢复电荷（Q_rr）和反向开启膝压（V_on），降幅超过2倍。
• HJD-TMOS通过减少栅和漏极之间的耦合效应，改善了开关特性，从而降低了栅到漏电荷（Q_gd）和总开关损耗。
• HJD-TMOS在第三象限表现出卓越的性能，具有较低的V_on和Q_rr，更快的反向电流处理，减少的死时间，并且有效降低了开关损耗。
• HJD-TMOS中集成的HJD有效抑制了少数载流子向漂移区的注入，优化了反向恢复特性并抑制了双极降解。

文章的创新点

• 该文章的创新点在于提出并研究了一种新型的4H-SiC沟道MOSFET，其在栅槽底部集成了异质结二极管（HJD-TMOS）。
• 集成的异质结二极管在反向导通中充当自由轮二极管，与传统的SiC沟道MOSFET（C-TMOS）相比，显著降低了反向恢复电荷（Qrr）和反向开启膝压（Von）。
• HJD-TMOS通过减少栅和漏极之间的耦合效应，改善了开关特性，从而降低了栅到漏电荷（Qgd）和总开关损耗。
• HJD-TMOS中集成的HJD有效抑制了少数载流子向漂移区的注入，优化了反向恢复特性并抑制了双极降解。

文章的研究方法

该论文的研究方法主要基于TCAD模拟。作者通过TCAD模拟提出并研究了一种新型的4H-SiC沟道MOSFET，其在栅槽底部集成了异质结二极管（HJD-TMOS）。他们详细比较了HJD-TMOS与传统SiC沟道MOSFET（C-TMOS）的性能，分析了反向恢复电荷（Q_rr）、反向开启膝压（V_on）、栅到漏电荷（Q_gd）和总开关损耗等参数。他们还分析了两种器件在正向和反向导通下的J-V曲线。此外，作者提供了插图和图表来支持其研究结果，例如空穴密度分布图和能带图。总体而言，该研究方法涉及基于模拟的分析，并对所提出的HJD-TMOS与传统的C-TMOS进行比较。

文章的结论

• 该论文的结论是，所提出的集成异质结二极管的4H-SiC沟道MOSFET（HJD-TMOS）在开关性能方面相较于传统的SiC沟道MOSFET（C-TMOS）有显著改进。
• HJD-TMOS中集成的异质结二极管使反向恢复电荷（Qrr）和反向开启膝压（Von）降低了2倍以上，同时保持了类似的阈值电压和击穿电压。
• HJD-TMOS还展示了较低的栅到漏电荷（Qgd）和总开关损耗，适用于高频率和高效率应用。
• HJD-TMOS有效地抑制了少数载流子向漂移区的注入，优化了反向恢复特性并抑制了双极降解。
• TCAD模拟结果支持HJD-TMOS在特定导通电阻降低、反向电流处理更快和开关特性改善等方面的优越性能。