Mitsubishi Electric / ICSCRM 2019 Trench-SiC-MOSFET mit niedrigstem spezifischem On-Widerstand

Schnitt durch einen konventionellen planaren SiC-MOSFET (links) und durch den neuen Trench-SiC-MOSFET von Mitsubishi Electric (rechts).
Schnitt durch einen konventionellen planaren SiC-MOSFET (links) und durch den neuen Trench-SiC-MOSFET von Mitsubishi Electric (rechts).

Nur 1,84 mΩ/cm² hat der neue Trench-SiC-MOSFET, den Mitsubishi Electric auf der ICSCRM 2019 in Kyoto (Japan) vorgestellt hat. Das ist etwa die Hälfte des Wertes von planaren Typen bei gleicher Durchbruchspannung von 1500 V. Möglich machen dies zwei Innovationen.

Laut Mitsubishi Electric soll der Trench-SiC-MOSFET, den das Unternehmen dieser Tage auf der International Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ICSCRM) angekündigt hat, mit 1,84 mΩ/cm² den niedrigsten spezifischen Durchlasswiderstand für 1500-V-Bauelemente haben. Möglich machen dies eine neuartige Struktur, die das elektrische Feld im Gate-Oxid begrenzt, sowie lokale, hochreine, mir Stickstoff dotierte Schichten. Mitsubishi erwartet, dass der neue Leistungshalbleiter irgendwann nach dem Geschäftsjahr ab 2021 in Produktion gehen wird.

Bei Trench-SiC-MOSFETs ist das Gate-Oxid eine Schwachstelle, weil sich dort das elektrische Feld lokal konzentriert und die isolierende Oxidschicht leicht beschädigen könnte. Um dies zu vermeiden, hat Mitsubishi Electric eine einzigartige feldbegrenzende Struktur entwickelt, um das isolierende Gate-Oxid zu schützen. Dazu implantiert das Unternehmen Aluminium und Stickstoff, um die elektrischen Eigenschaften der Halbleiterschicht zu verändern und gleichzeitig die Vorteile der Trench-Struktur zu nutzen.

Zunächst wird Aluminium vertikal eingebracht und auf der Unterseite des Grabens eine feldbegrenzende Schicht gebildet. Das elektrische Feld, das auf das Gate-Oxid einwirkt, schwächt sich auf das Niveau eines konventionellen planaren Leistungshalbleiters ab. Dadurch steigt die Zuverlässigkeit bei gleichbleibender Durchbruchspannung von über 1500 V.

Anschließend wird die Masse durch eine neu entwickelte Technik seitlich zwischen der elektrischen Feldbegrenzungsschicht und der Source-Elektrode elektrisch angebunden, indem Aluminium in Schrägrichtung implantiert wird. Dadurch lassen sich hohe Schaltgeschwindigkeiten und geringere Schaltverluste erreichen.

Die Transistorzellen sind bei einem Trench-MOSFET die kleiner als bei planaren Typen, sodass sich mehr Zellen auf gleicher Chipfläche unterbringen lassen. Wenn jedoch die Abstände der Transistor zwischen den Gate-Elektroden zu eng sind, erschwert dies den Stromfluss und erhöht den spezifischen Durchlasswiderstand des Bauteils. Mitsubishi Electric hat ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sich Stickstoff schräg implantieren lässt, um lokal eine SiC-Schicht mit hoher Stickstoffkonzentration auszubilden. Dadurch lässt sich der Strom im Strompfad problemlos leiten. Dies reduziert den spezifischen On-Widerstand auch bei hoher Zelldichte um ca. 25 Prozent gegenüber dem Fall, dass es keine Schicht mit hoher Konzentration gibt. Mit diesem neuen Herstellungsverfahren lassen sich auch die Abstände der seitlichen Masseanbindung optimieren.