標準高電壓功率電晶體介紹

前言:

  與雙極元件相比,功率元件中的金屬氧化物半導體場效電晶體(metal oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET )的主要缺點之一是其在高壓應用中的高導通損耗。通常,功率MOSFET具有雙擴散結構和輕摻雜漂移區以支援高電壓。下圖顯示了標準的高電壓功率元件,雙擴散金屬氧化物半導體場效電晶體 double-diffused MOSFET (DMOSFET),圖中所示結構表示,導通電阻是導通狀態下源極和汲極之間的總電阻。這可以透過設備的電阻組件來確定。

  以高電壓雙擴散金屬氧化物半導體場效電晶體DMOSFET而言,期主要的電阻組成有:通道電阻(channel  resistance, Rch)、積累電阻(accumulation resistance)、在開啟狀態之下的漂移終端電阻,Rd,以及介於P-base之間由遷移區所貢獻的Rj電阻。對於高電壓功率元件而言,漂移區由於其摻雜的低濃度特性會產生很大的電阻。因為設計上必須降低漂移摻雜濃度,藉以獲得高電阻以此阻斷電壓來保護高電壓功率電晶體,非常重要。但也因此, 如欲提升一個高電壓雙擴散金屬氧化物半導體場效電晶體(DMOSFET)的崩潰電壓值,就勢必會導致其電阻值的顯著增加,而這對功率元件而言,若不從另一手段來降低電阻值,將會使得該高電壓功率元件因不當增加的電阻值,從而妨礙了整體電流得供應總量。

  從理想狀態來合理簡化雙擴散金屬氧化物半導體場效電晶體 double-diffused MOSFET (DMOSFET)的電阻模型,該東綠園見的總電阻值主要是由飄移區電阻Rd此一單一因素所決定,並且可以合理假設電流均勻流過漂移區,沒有電流擴散效應。那麼,就n-通道而言,功率電晶體之導通電阻和崩潰電壓之間的關係可以合理簡化表示為:

  就p-通道而言,功率電晶體之導通電阻和崩潰電壓之間的關係可以合理簡化表示為:

  因此,就高電壓功率電晶體而言,每次倍增的崩潰電壓,在電晶體投影於晶圓之面積不變的情況之下,勢必使總電阻成為原來之2的2.5次方倍,亦即5.657倍。換句話說,若想既增加崩潰電壓從而提升工作電壓,又想維持原有之電流,那麼每顆電晶體所耗費之晶圓面積就得成為原來之5.657倍。

  當然,一般而言,如果提昇工作電壓的原始目的是【倍增】電流,例如用於電動汽車充電用途之高電壓功率元件就是個常見的例子,那麼如前所述的面積增倍再乘以2,那麼,所需耗費的晶圓面積就會是需要十倍以上,精確來說,是11.3倍的面積。

  以此觀之,這對於碳化矽磊晶設備廠商而言有兩則極端的消息:

  壞消息是:就面積的增加此一需求來看,如果磊晶的瑕疵密度沒有改善的話,就如同眾所周知的,其整體量產的良率將呈指數型的下降,更為車規級碳化矽功率元件原本就十分不堪的良率,無異投下氫彈級別的震撼彈,為原本就步履闌珊的碳化矽高電壓車規功率元件大量商品化之路,埋下無數地雷一般坎坷。

  好消息則是,一方面單顆電晶體所需耗費的晶圓面積大增,另一方面,磊晶厚度的需求也同時倍增,意味著商機也是數十倍地遞增,商機十分誘人!

結論:

  綜上所述,若不思就全面錯誤數十年的碳化矽磊晶設備反應腔改弦更張,徹底改善碳化矽磊晶的化學沉積反映環境,就是神仙也難救

  幸而愛華科技已經著手針對碳化矽磊晶設備反應腔依循化學氣相沉積反應腔理想狀況完成細部設計,成功模擬出近乎完美的反應條件,蓄勢待發,往商品化碳化矽磊晶設備之路,邁步向前,敬請期待!