Vorteile eines temperaturbeständigen R^on von SiC-MOSFETs Der DioMOS in der Anwendung

Beim DioMOS handelt es sich um einen SiC-MOSFET, der auch als antiparallele Diode funktioniert. Er zeichnet sich durch einen niedrigen Durchlasswiderstand bei höheren Temperaturen aus und kann auch in Parallelschaltung ohne thermische Instabilität betrieben werden.

Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid (SiC) verfügen über ein vielversprechendes Potenzial für Hochleistungsschaltanwendungen, die von den Vorteilen der hohen Elektronenmobilität und der hohen Durchbruchfeldstärke des Materials profitieren. In einem DioMOS ist bei gleicher Chip-Fläche wie der eines gleich spezifizierten MOSFET eine antiparallele Diode integriert, indem ein epitaktischer n-Kanal unter dem MOS-Gate als Pfad für den Leerlaufstrom genutzt wird [1]. Bild 1 zeigt einen schematischen Querschnitt des gefertigten 4H-SiC-DioMOS. Da die hohe Dotierung der epitaktischen Schicht des n-Kanals unter dem SiO2-Gate-Dielektrikum eine Verbindung der n-Driftschicht an der Seite der Drain-Elektrode mit dem n+-Source-Gebiet an der Source-Elektrode erzeugt, kann der Strom durch den Kanal bidirektional fließen, wenn keine MOS-Struktur an der Oberseite der Kanalschicht gebildet wird.

Doch da die Konzentration des p-dotierten Substrats („p+-Well“) höher als bei herkömmlichen SiC-MOSFETs gesetzt wird, kann die verlängerte Sperrschicht, die sich vom Übergang der epitaktischen Schicht des n-Kanals und des p-dotierten Substrats erstreckt, innerhalb des hochdotierten epitaktischen n-Kanals zu einer vollständigen Verdrängung an freien Elektronen (Verarmung) führen. Durch eine entsprechend gewählte Dicke der epitaktischen Schicht des n-Kanals kann sich die Sperrschicht bis zum Gate-Oxid erstrecken.

Darüber hinaus funktioniert der Dio­MOS nicht nur als selbstsperrender Transistor, sondern auch als antiparallele Diode. Durch Erhöhung der Träger-Konzentration in der epitaktischen Schicht des n-Kanals wird die Potenzialbarriere der antiparallelen Diode (gebildet durch n+-Source, den epitaktischen n-Kanal und die n-Driftschicht) noch weiter verringert. Das Ergebnis ist eine geringere Diffusionsspannung (im Folgenden als Uf bezeichnet) als die von der intrinsischen p-n-Diode des MOSFET. Daher fließt der Leerlaufstrom wie in Bild 1 dargestellt durch denselben Pfad wie in der Durchlassrichtung. Der Freilaufstrom kann also durch die epitaktische Schicht des n-Kanals fließen, auch wenn die Gate-Source-Spannung Null beträgt oder sogar bei negativer Gate-Source-Spannung. Daher macht die DioMOS-Struktur externe antiparallele Schottky-Dioden überflüssig (Bild 2).

Elektrische Eigenschaften des ­DioMOS

Eine Eigenschaft des DioMOS besteht in den geringen Schwankungen des Durchlasswiderstands RDS(on) zwischen Drain und Source über einen großen Temperaturbereich. Bild 3a zeigt RonA, den spezifischen Durchlasswiderstand, sprich: den gemessenen Widerstand des Materials pro Einheit aktiver Fläche, und Bild 3b stellt Uf bei unterschiedlichen Temperaturen dar. Der RDS(on) besteht hauptsächlich aus dem Widerstand der epitaktischen Schicht des n-Kanals und der n--Driftschicht. Der Widerstand der epitaktischen Schicht des n-Kanals hat einen negativen Temperaturkoeffizienten. Der Widerstand der n--Drift hat hingegen einen positiven Temperaturkoeffizienten. Folglich besitzt RDS(on) in einem Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und etwa 100 °C einen negativen Temperaturkoeffizienten. Die Uf beträgt bei einem Dioden-Strom von 1 mA nur 0,8 V, was mit den neuesten SiC-Schottky-Dioden vergleichbar ist. Die gemessene Uf beim Nennstrom in Bild 3b zeigt, dass die Temperaturabhängigkeit dieselbe Tendenz aufweist wie beim RDS(on).

Da bei vorliegender Struktur des Bauelements der Weg des Freilaufstromes dem Weg des Stroms in Durchlassrichtung entspricht, belegt diese Tendenz, dass sowohl der Strom in Durchlassrichtung als auch der Freilaufstrom durch die epitaktische Schicht des n-Kanals unter dem Gate fließen. Obwohl die Diffusionsspannung bei Nennstrom und Raumtemperatur auch mit den neuesten SiC-Schottky-Dioden vergleichbar ist, so ist diese bei höheren Temperaturen viel geringer als bei SiC-Schottky-Dioden. Anwendung finden die DioMOS in einem Halbbrückenmodul, bei dem mehrere Chips parallel geschaltet sind, um den Nennstrom des Modules zu erhöhen [2]. Der Strom konzentriert sich in dem Chip mit dem geringsten RDS(on), da der RDS(on) des Bauelements einen negativen Temperaturkoeffizienten besitzt.