新的CoolSiC™槽沟MOSFET技术，用于低栅氧化物应力和高性能

标题：The new CoolSiC™ Trench MOSFET Technology for Low Gate Oxide Stress and High Performance

UPS（Uninterruptible Power Supply）系统也称不间断电源系统，是一种能够提供电力备用的设备，当主电源出现故障或停电时，UPS系统可以立即启动，维持电力供应，保证设备的正常运行。

研究了什么

该论文描述了一种新型的SiC槽沟MOSFET概念，旨在平衡低导通损耗和类似Si-IGBT的可靠性。介绍了45 mΩ/1200 V CoolSiC™ MOSFET的静态和动态性能的基本特征。该器件导通状态的温度特性良好，切换能量对温度的低灵敏度使得该器件易于使用。栅氧化物的设计满足工业应用的要求。长期的栅氧化物测试表明，外部失效率可以得到足够低的可靠性预测，适用于工业应用。

文章创新点

这种新型的CoolSiC™ MOSFET采用槽沟结构，以实现相对于沿着Si面对齐的平面沟道更高的倒转沟道迁移率。槽沟旁边的掺杂区域是不对称的。槽沟侧壁的左侧包含了与a面对齐的MOS通道，以实现最佳的通道迁移率。槽沟底部的大部分嵌入到一个p型区域中，该区域延伸到槽沟底部以下。这个p型区域有三个主要的电学功能：i）尽可能低电阻地连接p型区域到源极电极，ii）形成一个高效的p型发射区，以将体二极管作为快速自由轮二极管进行操作，iii）保护槽沟角处的门氧化物免受由漏极偏置引起的过高电场的影响。相邻的p型发射区域形成的JFET区域不仅有助于限制槽沟角处的氧化物场强度，而且通过调整p型区域之间的距离降低了器件的饱和电流。较小的距离既支持较低的饱和电流和槽沟角的较低电场，但由于JFET的存在，会对整体导通电阻产生额外的贡献。所描述的MOSFET单元概念旨在将小的导通损耗与足够低的导通状态和关断状态下的栅氧化物应力相结合，以满足工业应用的可靠性要求。

文章的研究方法

静态特性

输出特性图显示了在25°C（实线，黑色）和175°C（虚线，红色）下，针对栅源电压V_GS = 17、15、13、10、7 V，漏极电流I_DS作为漏源电压V_DS函数的变化情况，其中V_GS的典型值按从上到下的顺序排列。

典型的RDS(on)温度依赖性：黑色实线曲线：V_GS = 15 V，I_DS = 20 A，黑色虚线曲线：V_GS = 15 V，I_DS = 40 A，红色曲线：V_GSth（在V_GS = V_DS，I_DS = 10mA时）。

在25°C（实线，黑色）和175°C（红色虚线）下，在脉冲模式下测量的V_DS = 20 V时的典型传输特性。

在25°C（黑色实线）和175°C（红色虚线）下，V_GS分别为+15 V、0 V和-5 V时的典型第三象限特性。

动态特性

MOSFET从关断状态转换到导通状态时的瞬态过程

外部栅极电阻分别为10.2 Ω和4.5 Ω时的关断瞬态图形（开关条件：800 V，40 A，175°C，续流SBD型号IDH20G120C5）。图7a和7b中的曲线颜色分别为：R_gext = 10.2 Ω：I_D（黑色），V_DS（红色），V_GS（蓝色）；R_gext = 4.5 Ω：I_D（深灰色），V_DS（浅灰色），V_GS（浅蓝色）。

在开关条件为800 V，20 A，175°C，续流二极管IDH20G120C5，TO-247-3的情况下，测量的最大电压斜率dv_DS/dt在开启时（红色）和关闭时（黑色）。

外部栅极电阻R_gext的变化对应的开启损耗E_on（红色）和关闭损耗E_off（黑色）的变化。开关条件为800 V，20 A，175°C，自由轮二极管IDH20G120C5，TO-247-3。

针对两个MOSFET的半桥配置，以及与20A肖特基二极管IDH20G120C5的斩波配置相比，测量在175°C（红色）和25°C（黑色）下，随着漏极电流的变化，开启能量E_on（3个顶部曲线）和关闭能量E_off（3个底部曲线）的变化，使用TO-247-4包装（实线）进行比较，栅极外部电阻为2.2Ω，V_GS为-5 / +15 V，电压总线为800 V。

可靠性

在长达300天的栅压应力测试后的故障率：对1000个MOSFET进行测试，分为2组，在150°C下进行常数栅压应力测试，其中在100天后将栅压增加5 V。

文章得出的结论

本文介绍了英飞凌CoolSiC™ MOSFET的详细性能特性结果。该器件将低静态和动态损耗与高Si-IGBT类栅氧可靠性相结合，完全符合典型工业要求。温度行为使得该器件易于操作，特别是在并联操作中。开关行为可以完全由栅极电阻控制。