A 1200 V 4H-SiC Planar MOSFET Optimization for High Frequency - - PowerPoint PPT Presentation

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Kijeong Han khan5@ncsu.edu

A 1200 V 4H-SiC Planar MOSFET Optimization for High Frequency Figure-of-merit

Principal Investigator: Dr. Jayant Baliga North Carolina State University (NCSU)

v Objective v Structure Optimization

¨ ¨ 4H-SiC Power MOSFET with improved high frequency Figure-of-merit

• Figure-of-merit (FOM) : R x C, R x Q
• Structure optimization : R ↓ è

è Conduction loss ↓ C, Q ↓ è è Switching loss ↓

Gate ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡JFET ¡

¡ ¡

N-­‑ ¡DriR ¡

P+ ¡body N+ ¡source N+ ¡sub Drain Gate Source

LA ¡

BP1 structure

Objec?ve

① JFET width ↓ + doping ↑ ② Channel length ↓ ③ P+ body contact

¨ ¨ Cell pitch ↓

Gate ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

¡ ¡

N-­‑ ¡DriR

P+ ¡body ¡

N+ ¡source

N+ ¡sub Drain Gate ¡S

BP2 structure

¡

¡

JFET ¡

LA ¡ P+ body contact Orthogonal to cross section

33 ¡

FOM ↓

v Simulation Results

Wcell

[µm]

BV

[V]

CGD,sp

[nF/cm2]

QGD,sp

[nC/cm2]

Ron,sp

[mΩ ⋅ cm2]

FOM (= CGD x Ron)

[mΩ ⋅ nF]

BP1

11 1392 0.168 355 6.75 1.134

BP1 ¡Characteris?cs

[ Qg simulation ↑ ] [ BV simulation → ] [ ↓ IV simulation ] @freq. : 100 kHz 7.54 ¡pF ¡ @area : 4.5 mm2 7.68 ¡pF ¡ [ ← CGD simulation & CGD measurement ]

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v Simulation Results

§ LA : 1.7 µm (BP1) § LA : 0.7 µm

< E-field (BV = 1392 V) > < E-field (BV = 1620 V) > @Limit of Oxide Field : 4 MV/cm @JFET doping : 8x1015 cm-3

JFET ¡Op?miza?on ¡(1/2)

< Current flow (Ron,sp = 6.75 mΩ⋅ Ω⋅cm2) > < Current flow (Ron,sp = 10.84 mΩ⋅ Ω⋅cm2) > 35 ¡

¡ ¡ ¡ ¡

: FOM @freq. : 100 kHz : Cgd,sp : Ron,sp JFET doping (cm-3) LA (µm) BV (V) Ron,sp (mΩ-cm2) Cgd,sp (pF/cm2) FOM (Ron,sp x Cgd,sp) (mΩ-pF)

~4e16

0.7 1614 4.55 81.46 370.6 (x 3) 1 1526 4.04 113.92 460.2 1.5 1192 4.06 155.84 632.7 2 988 4.17 208.9 871.1 2.5 875 4.31 254.29 1096.0 3 808 4.43 293.72 1301.2 @VDrain : 1000 V : BV

JFET ¡Op?miza?on ¡(2/2)

Cgd,sp ¡simulation

36 ¡

v Summary of Characteristics

Wcell

[µm]

BV

[V]

CGD,sp

[nF/cm2]

QGD,sp

[nC/cm2]

Ron,sp

[mΩ⋅ Ω⋅cm2]

FOM

(= CGD x Ron) [mΩ ⋅ nF]

FOM

(= QGD x Ron) [mΩ ⋅ nC]

BP1 11 1392 0.168 355 6.75 1.134 2398 BP2 5.6 1613 0.0928 233 3.47 0.322 (x3.52) 808.86 (x2.96)

Figure-­‑Of-­‑Merit ¡(FOM)

BP1 structure

① JFET width ↓ + doping ↑ ② Channel length ↓ ③ P+ body contact

BP2 structure

§ NJFET : 0.8e16 cm-3 § LA : 1.7 µm § LCH : 0.8 µm § Wcell : 11 µm § NJFET : ~4e16 cm-3 § LA : 0.7 µm § LCH : 0.5 µm § Wcell : 5.6 µm

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