A 1200 V 4H-SiC Planar MOSFET Optimization for High Frequency Figure-of-merit Principal Investigator: Dr. Jayant Baliga North Carolina State University (NCSU) Kijeong Han khan5@ncsu.edu 32 ¡
Objec?ve v Objective ¨ ¨ 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 ↓ FOM ↓ C, Q ↓ è è Switching loss ↓ v Structure Optimization ¨ Cell pitch ↓ ¨ ① JFET width ↓ + doping ↑ ② Channel length ↓ ③ P + body contact Source ¡S Gate Gate Gate Gate ¡ N + ¡ source ¡ ¡ N + ¡ source ¡ L A ¡ L A ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ P + body contact P + ¡ body P + ¡ body ¡ JFET ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡JFET ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Orthogonal to ¡ ¡ ¡ ¡ cross section N -‑ ¡ DriR N -‑ ¡ DriR N + ¡ sub N + ¡ sub Drain Drain 33 ¡ BP1 structure BP2 structure
BP1 ¡Characteris?cs v Simulation Results W cell BV C GD,sp Q GD,sp R on,sp FOM (= C GD x R on ) [ µ m] [V] [nF/cm 2 ] [nC/cm 2 ] [m Ω ⋅ cm 2 ] [m Ω ⋅ nF] 11 0.168 355 6.75 1.134 1392 BP1 @freq. : 100 kHz @area : 4.5 mm 2 7.68 ¡pF ¡ [ ← C GD simulation & C GD measurement ] 7.54 ¡pF ¡ [ ↓ IV simulation ] [ Q g simulation ↑ ] [ BV simulation → ] 34 ¡
JFET ¡Op?miza?on ¡(1/2) @JFET doping : 8x10 15 cm -3 v Simulation Results @Limit of Oxide Field : 4 MV/cm § L A : 1.7 µ m (BP1) § L A : 0.7 µ m < E-field (BV = 1392 V) > < E-field (BV = 1620 V) > < Current flow (R on,sp = 6.75 m Ω⋅ Ω⋅ cm 2 ) > < Current flow (R on,sp = 10.84 m Ω⋅ Ω⋅ cm 2 ) > 35 ¡
JFET ¡Op?miza?on ¡(2/2) : BV : R on,sp ¡ ¡ : C gd,sp : FOM C gd,sp ¡ simulation ¡ @freq. : 100 kHz ¡ @V Drain : 1000 V JFET doping L A BV R on,sp C gd,sp FOM (R on,sp x C gd,sp ) (cm -3 ) (m Ω -cm 2 ) (pF/cm 2 ) ( µ m) (V) (m Ω -pF) 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 ~4e16 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 36 ¡
Figure-‑Of-‑Merit ¡(FOM) v Summary of Characteristics N JFET : 0.8e16 cm -3 N JFET : ~4e16 cm -3 § § L A : 1.7 µ m L A : 0.7 µ m § § L CH : 0.8 µ m L CH : 0.5 µ m § § W cell : 11 µ m W cell : 5.6 µ m § § ① JFET width ↓ + doping ↑ ② Channel length ↓ ③ P + body contact BP2 structure BP1 structure FOM FOM W cell BV C GD,sp Q GD,sp R on,sp (= C GD x R on ) (= Q GD x R on ) [ µ m] [V] [nF/cm 2 ] [nC/cm 2 ] [m Ω⋅ Ω⋅ cm 2 ] [m Ω ⋅ nF] [m Ω ⋅ nC] 11 0.168 355 6.75 1.134 2398 BP1 1392 5.6 0.0928 233 3.47 0.322 (x3.52) 808.86 (x2.96) BP2 1613 37 ¡
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