【专利解密】具有高抗浪涌电流能力！解密蓉矽半导体集成栅控二极管碳化硅方案

【嘉勤点评】蓉矽半导体发明的具有高抗浪涌电流能力的集成栅控二极管的碳化硅方案，为栅控二极管集成了并联的PNP BJT，利用反偏的PN结降低了有效基区厚度，减少了少子在基区的复合。即减小了复合电流的产生，缓解浪涌状态中沟道区的电流密度，从而提高了器件整体的抗浪涌电流能力。

集微网消息，宽禁带半导体材料SiC是制备高压电力电子器件的理想材料，相对于Si材料，SiC材料具有击穿电场强度高（4×106V/cm）、载流子饱和漂移速度高(2×107cm/s)、热导率高、热稳定性好等优点，因此特别适合用于大功率、高压、高温和抗辐射的电子器件中。

SiC VDMOS是SiC功率器件中较为常用的一种器件，相对于双极型的器件，由于SiCVDMOS没有电荷存储效应，所以其拥有更好的频率特性以及更低的开关损耗。同时SiC材料的宽禁带使得SiC VDMOS的工作温度可以高达300℃。

但是平面型SiC VDMOS存在两个问题，其一是JFET区的密度较大，引入了较大的密勒电容，增加了器件的动态损耗；其二是寄生的SiC体二极管导通压降太高，并且其为双极型器件，存在较大的反向恢复电流。此外，碳化硅BPD缺陷造成的双极退化现象使得该体二极管的导通压降随着使用时间的增长持续升高，因此，SiC VDMOS的体二极管无法直接作为续流二极管使用。

为解决上述问题，蓉矽半导体在2022年4月26日申请了一项名为“高抗浪涌电流能力的集成栅控二极管的碳化硅MOSFET”的发明专利（申请号：202210441140.7），申请人为成都蓉矽半导体有限公司。

根据该专利目前公开的相关资料，让我们一起来看看这项技术方案吧。

如上图，为该专利中发明的高抗浪涌电流能力的集成栅控二极管的碳化硅MOSFET结构示意图，上述结构主要包括有：背面金属1、N型碳化硅外延4、正面金属14、第一N型碳化硅衬底21、第二N型碳化硅衬底22、第一P型背面注入31、第二P型背面注入32、第一P型源区注入51、第二P型源区注入52、第一N型源区注入61以及第二N型源区注入62等。

其中，背面金属和第二P型背面注入分别从左、右两个方向与第二N型碳化硅衬底相接；第一P型背面注入和第二P型背面注入均与第一N型碳化硅衬底的右侧相接；在第一P型背面注入、第一N型碳化硅衬底、第二P型背面注入和第二N型碳化硅衬底的上方包裹有N型碳化硅外延。

此外，在第一P型背面注入、第二P型背面注入以及N型碳化硅外延等结构中均有不同浓度的掺杂，例如，第一P型背面注入的掺杂浓度范围为1.0E18cm-3

~1.0E22cm-3，N型碳化硅外延的掺杂浓度范围为1.0E14cm-3~1.0E17cm-3等。

如上图，为该碳化硅MOSFET的等效电路示意图。从图中可以看出，该结构由四部分并联构成，分别为常规MOSFET、分离栅MOSFET、栅控二极管和PNP BJT。

当器件处于正向导通状态时，常规MOSFET和分离栅MOSFET通过向Gate端口施加正电压使其导通，导通电流IDS为常规MOSFET电流IDS1和分离栅MOSFET电流IDS2的总和。此时，栅控二极管和PNP BJT处于阻断状态，将不形成电流。

当器件处于反向续流状态时，电流IDS从节点1流到节点3，通过栅控二极管的沟道电阻Rch以及JFET区电阻RJFET在节点1和节点2之间形成正的电压降，使得栅控二极管导通，并形成电子电流Ie。同时，节点1和节点2之间的正电压降将使得PNP BJT发射结正偏，通过外延层电阻REPI形将在节点2和节点3之间的正电压降将使得PNP BJT的集电结发生反偏，此时PNP BJT将被导通，形成空穴电流Ih和复合电流Ier，而反向电流IDS为电子电流Ie、复合电流Ier和空穴电流Ih的总和。

当器件处于正向导通状态时，电流的分布如上图所示。此时由于常规MOSFET的沟道电阻更低，因此流经常规MOSFET的电流IDS1将大约流经分离栅MOSFET的电流IDS2，这也有利于保护相对薄弱的分离栅MOSFET。

当器件处于反向导通状态时，电流的分布如上图所示。由于栅控二极管的开启电压更低，因此，此时电流主要以通过栅控二极管的电子电流Ie为主，PNP BJT的发射结未发生大注入，只会产生少量的空穴电流Ih和复合电流Ier。这将使得在反向续流状态下器件的少子存储效应降低，有利于降低反向恢复电流。

最后，当器件进入浪涌导通状态时，电流分布如上图所示。正向电流IFSM激增，此时节点1和节点2之间形成较大的正向压降，这一电势差将使得PNP BJT的发射结进入大注入模式。此外，节点2和节点3之间将形成较大的正向压降，这一电势差将使得PNPBJT的集电结反偏，此时PNP BJT将进入导通状态。

由于PNP BJT的复合电流Ier将全部由栅控二极管沟道承担，为了降低复合电流Ier在IFSM中所占据的比例从而提高栅控二极管的栅氧化层鲁棒性，该方案中采用重掺杂的集电区。因为基区相对于集电区浓度更低，所以当集电结反偏时，耗尽区主要向基区扩展，此时的有效基区宽度将由原来的Wb变为Wb’，从而大大减小了少子空穴在基区中的复合，降低了沟道所承载的电子电流。

以上就是蓉矽半导体发明的具有高抗浪涌电流能力的集成栅控二极管的碳化硅方案，该方案为栅控二极管集成了并联的PNP BJT，利用反偏的PN结降低了有效基区厚度，减少了少子在基区的复合。即减小了复合电流的产生，缓解浪涌状态中沟道区的电流密度，从而提高了器件整体的抗浪涌电流能力。

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（校对/赵月）