Performance Limit and Design Guideline of 4H-SiC Superjunction Devices Considering Anisotropy of Impact Ionization

支柱 符号 极限(数学) 电离 各向异性 物理 电气工程 材料科学 数学 数学分析 量子力学 机械工程 工程类 算术 离子
作者
Changwang Wang,Xuan Li,Lingfeng Li,Xiaochuan Deng,Wentong Zhang,Zheng Liu,Yansheng Zou,Weining Qian,Zhaoji Li,Bo Zhang
出处
期刊:IEEE Electron Device Letters [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:43 (12): 2025-2028 被引量:15
标识
DOI:10.1109/led.2022.3212465
摘要

Superjunction (SJ) structure is one of the most effective approaches to improving the performance limit between specific ON-resistance ( ${R}_{\text {on,sp}}$ ) and breakdown voltage ( $\textit {BV}$ ) for the unipolar power device, particularly in high-voltage and high-current areas. In this letter, ${R}_{\text {on,sp}}-\textit {BV}$ performance limit of 4H-SiC SJ drift region is achieved featuring both the two-dimensional electric field and the anisotropy of impact ionization of 4H-SiC. The breakdown path is the curve from the bottom midpoint of N pillar to the top midpoint of P pillar via the midpoint of P-N pillar interface, instead of the midline of the pillar, due to that the impact ionization along [ $11~\overline {{2}}~0$ ] is stronger than that along [0001]. Moreover, a design guideline is provided for optimized ${R}_{\text {on,sp}}$ ( ${R}_{\text {on,opt}}$ ) under a given $\textit {BV}$ , including the width, depth, and concentration of SiC SJ drift region. SJ adoption enables SiC drift region to have a quasi-linear dependence of ${R}_{\text {on,sp}}$ on $\textit {BV}$ , i.e., ${R}_{\text {on,sp}}\propto \textit {BV}^{{1.007}}$ , which is well verified by TCAD simulation. With $\textit {BV}$ larger than 2000V, the SJ utilization can significantly reduce ${R}_{\text {on,sp}}$ of SiC device. By determining the breakdown path, the theoretical performance limit shows huge potential of SJ approach for the high-voltage and high-current SiC device, and the practical design guideline can instruct to better design the SiC SJ device.
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