今天这篇章来自株洲中车，主要内容是SiC MOSFET 体二极管特性优化
先介绍背景
作为单极型器件，开关能力是SiC MOSFET的优势，
目前商用器件一般采用 体二极管作为第三象限续流通路 ，相比外接SBD，体二极管方案可以缩小系统成本，
但在高速开关工况下，体二极管对回路寄生参数非常敏感，尤其是杂散电感，
反向恢复阶段，易出现剧烈电压过冲，导致栅极误导通，降低器件可靠性。
欲抑制反向恢复过程中的电压过冲，设计者希望SiC MOSFET体二极管的 反向恢复特性更软
即，反向恢复期间，非耗尽区留存足量少子，使反向恢复电流平缓衰减，
如何实现这一点？
引入缓冲层是一个可行的方向。
基于此，本文 在SiC MOSFET中引入LDG-FS层，以改善反向恢复特性。
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1200V器件结构如上
元胞结构与常规无异，重点是LDG-FS层（Lightly Doped Gradient Field-Stop，轻掺杂渐变场截止）
该层位于N-drift与N-buffer之间，右图给出了这几层N离子的SIMS结果，但只有相对值
LDG-FS层厚度5μm，浓度介于N-drift与N-buffer之间
如果认为前者处于1e16cm -3量级，后者处于1e18cm -3量级，那么LDG-FS层浓度处于1e17cm -3量级，且逐渐变化，不是均匀掺杂。
完成制作后，将6颗LDG-FS SiC MOSFET器件并联，集成至中车S3功率模块，进行体二极管反向恢复测试
该模块采用低电感布线设计，总杂散电感约8nH
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测试电路如上
标准双脉冲测试平台，下管T2工作在MOSFET开关模式， 待测器件（DUT）上管T1工作在体二极管续流模式
默认测试条件下，回路杂散电感设为12nH，共源极电感约0.15nH， 器件开通/关断栅压分别为+18V/-10V，采用-10V以确保沟道完全关死
设置5μs长死区时间，确保关断阶段栅压稳定在-10V，防止因时序不足导致反向恢复电荷量测试结果偏小。
同时制备了 均匀掺杂场截止层SiC MOSFET以作对比，称为Reference器件，
LDG-FS层浓度渐变，而对比器件的浓度均匀，厚度之类的参数相同，
两种器件封装形式一致，最终器件导通电阻也基本相同，
但在击穿电压上，LDG-FS器件达1550V，而Reference器件只有1490V，
这60V差距源自截止层不同的浓度分布，渐变设计可实现更均匀的电场分布。
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25℃、175℃下，两种器件反向恢复特性对比如上，
25℃下，两种器件电压振荡表现基本一致，
175℃下，Reference器件的电压振荡明显加剧，电压过冲骤增，这符合此前已有的SiC MOSFET体二极管研究结论，
即， 器件过冲电压基本不随温度变化，或随温度升高而增大 。
但LDG-FS器件表现出相反的特性，
175℃下，器件反向恢复过程相比常温更加平缓，过冲电压随温度升高逐渐降低，
据作者所知，这是SiC MOSFET首次报道呈现过冲电压负温度系数特性，
为什么会这样？
需要解释现象背后的物理机制，
先看负载电流对反向恢复特性的影响，
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如上，左边是25℃下，不同负载电流对应的反向恢复曲线，右边是175℃下，不同负载电流对应的反向恢复曲线，
25℃、175℃下器件表现有何区别？
前者，负载电流的变化主要体现在电压过冲的变化（图a），尤其是第一个峰值电压显著增大，
后者，负载电流的变化主要体现在Q rr的变化（图b），Q rr随着负载电流的增大而增大，
为什么有此区别？
因为25℃下，少子寿命短是主导机制，
即使负载电流增大可以提升少子注入量，但少子寿命太短，无法维持反向恢复电流持续平缓衰减，
电流急剧衰减导致电压尖峰增大，形成图a所示现象。
而175℃下，温度的上升会增强P区电离程度，漂移区被注入更多少子，载流子浓度显著提升，因此Q rr增大，
尽管过冲电压也有所增大，但相同负载电流下的高温过冲电压始终低于常温。
概言之，体二极管反向恢复到底是软是硬，与非耗尽区剩余载流子浓度有莫大关系，
而温度上升会产生两种相互拮抗的效应：
1、漂移区载流子浓度提升，这会导致反向恢复更硬，
2、少子寿命增长，非耗尽区剩余载流子复合速率下降，反向恢复电流衰减更加平缓，反向恢复更软，
最终曲线的宏观表现，取决于两种机制的博弈。
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温度对LDG-FS器件反向恢复特性的影响如上， 区间为-40℃~200℃，共5个温度点，
直接从波形看，漏源电压首个过冲电压峰值随温度升高呈现先升后降趋势，
但这一数值同时受T2漏源电压、杂散电感等影响，并非T1的真实漏源电压，
经计算，T1真实漏源电压变化情况如内嵌图所示， 振荡幅值随温度升高持续降低 ，
25℃~100℃区间，降幅最明显，大于100℃，过冲电压下降速率逐渐放缓，
另外随着温度升高，Q rr持续增大，表明反向恢复过程中被抽离的电荷量增多。
背后机制大致如下：
温度升高使非耗尽区少子寿命延长，持续供给载流子以维持反向恢复电流，
且高温下，非耗尽区积累的少子总量超过了形成耗尽区所需抽离的电荷量，最终实现了软反向恢复特性，电压过冲被抑制。
概言之，相比传统结构，LDG-FS器件有如下区别：
1、LDG-FS器件优化了BV-R on,sp权衡关系，反向恢复过程中器件可保留 更宽的非耗尽区 ，
2、LDG-FS器件采用低掺杂设计，可进一步 提升该区域的载流子寿命与少子浓度 。
两种因素共同作用下，LDG-FS器件具备更优的反向恢复能力。
小结：
1、在SiC MOSFET的N-drift与N-buffer之间，引入LDG-FS层，厚度5μm，浓度介于N-drift与N-buffer之间，渐变，
175℃下，LDG-FS器件反向恢复过程相比常温更加平缓，过冲电压随温度升高逐渐降低，这是SiC MOSFET首次报道呈现过冲电压负温度系数特性，
2、相比传统结构，LDG-FS器件有如下区别：一方面优化了BV-R on,sp权衡关系，反向恢复过程中器件可保留 更宽的非耗尽区 ，另一方面采用低掺杂设计，可进一步 提升该区域的载流子寿命与少子浓度 。
两种因素共同作用下，LDG-FS器件具备更优的反向恢复能力。
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