東芝推出可提高SiC (碳化矽)MOSFET 可靠性元件結構

東芝電子元件及儲存裝置株式會社（東芝）推出可提高SiC（碳化矽）MOSFET[1]可靠性的元件結構。相較於東芝的典型元件結構，MOSFET內嵌的SBD（肖特基勢壘二極體[2]）可在抑制導通電阻增大的同時，將元件結構的可靠性提高10倍以上[3]。

功率元件是降低車輛以及工業設備和其它電氣設備能耗的重要元件，而SiC相較於有機矽可進一步提高電壓並降低損耗，因此業界普遍預期SiC將成為新一代的功率元件材料。雖然SiC目前主要用於車輛變頻器，預計往後的應用領域會涉及於工業設備的各種光伏發電系統（PPS）和電源管理系統（PMS）。

可靠性問題是目前SiC元件最大課題，其涉及位於功率MOSFET的電源與列車之間的PN結二極體[4]。PN結二極體的外施電壓使其帶電，造成導通電阻變化，進而有損元件的可靠性。東芝新推出的SBD內嵌式MOSFET元件結構正是此問題的剋星。

新結構中有一個與電池單元內的PN結二極體平行設置的SBD，可防止PN結二極體帶電。相較於PN結二極體，內嵌SBD的通態電壓更低，因此電流會通過內嵌SBD，進而抑制導通電阻變化和MOSFET可靠性下降等問題。

內嵌SBD的MOSFET現已投入實際應用，但僅限於3.3kV元件等高壓產品；其通常會使導通電阻升高至僅高壓產品能承受的一個電壓水準。東芝在調整各個元件參數後發現MOSFET中SBD的面積比是抑制導通電阻增大的關鍵因素。東芝不斷優化SBD比例，實現了1.2kV高可靠型SiC MOSFET。並計畫於今年八月下旬(2020/Aug)開始量產。

SBD內嵌式MOSFET元件結構

SBD內嵌式MOSFET可抑制導通電阻變化

注：
[1] MOSFET：金屬氧化物半導體場效應電晶體
[2] 肖特基勢壘二極體（SBD）：通過半導體與金屬接合形成的一種半導體二極體
[3] 東芝規定當以250A/cm2的電流密度通過電源向某器件的漏極通電1,000小時後才出現導通電阻變化，即視為該器件可靠。東芝的典型MOSFET的導通電阻變化率高達43%，而肖特基勢壘二極體（SBD）內嵌式MOSFET的這一變化率僅為3%。
[4] PN結二極體：通過在電源與漏極之間設置PN結形成的一種二極體


更多資訊，請參考東芝網站：https://toshiba.semicon-storage.com/tw/top.html