【導讀】碳化矽（SiC）的性能潛力是毋庸置疑的，但設計者必須掌握一個關鍵的挑戰：確定哪種設計方法能夠在其應用中取得最大的成功。

先進的器件設計都會非常關注導通電阻，將其作為特定技術的主要基準參數。然而，工程師們必須在主要性能指標（如電阻和開關損耗），與實際應用需考慮的其他因素（如足夠的可靠性）之間找到適當的平衡。

優(you)秀(xiu)的(de)器(qi)件(jian)應(ying)該(gai)允(yun)許(xu)一(yi)定(ding)的(de)設(she)計(ji)自(zi)由(you)度(du)，以(yi)便(bian)在(zai)不(bu)對(dui)工(gong)藝(yi)和(he)版(ban)圖(tu)進(jin)行(xing)重(zhong)大(da)改(gai)變(bian)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)適(shi)應(ying)各(ge)種(zhong)工(gong)況(kuang)的(de)需(xu)要(yao)。然(ran)而(er)，關(guan)鍵(jian)的(de)性(xing)能(neng)指(zhi)標(biao)仍(reng)然(ran)是(shi)盡(jin)可(ke)能(neng)低(di)的(de)比(bi)電(dian)阻(zu)，並(bing)結(jie)合(he)其(qi)他(ta)重(zhong)要(yao)的(de)參(can)數(shu)。圖(tu)1顯示了我們認為必不可少的幾個標準，或許還可以增加更多。

圖1：SiC MOSFET的魯棒性和製造穩定性（右）必須與性能參數（左）相平衡

元件在其目標應用的工作條件下的可靠性是最重要的驗收標準之一。與已有的矽(Si)器件的主要區別是：SiC元yuan件jian在zai更geng強qiang的de內nei部bu電dian場chang下xia工gong作zuo。因yin此ci，設she計ji者zhe應ying該gai非fei常chang謹jin慎shen地di分fen析xi相xiang關guan機ji製zhi。矽gui和he碳tan化hua矽gui器qi件jian的de共gong同tong點dian是shi，元yuan件jian的de總zong電dian阻zu是shi由you從cong漏lou極ji和he源yuan極ji的de一yi係xi列lie電dian阻zu的de串chuan聯lian定ding義yi的de。

這包括靠近接觸孔的高摻雜區域電阻、溝道電阻、JFET（結型場效應晶體管）區域的電阻以及漂移區電阻（見圖2）。請注意
，在高壓矽MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）中(zhong)，漂(piao)移(yi)區(qu)阻(zu)顯(xian)然(ran)在(zai)總(zong)電(dian)阻(zu)中(zhong)占(zhan)主(zhu)導(dao)地(di)位(wei)。而(er)在(zai)碳(tan)化(hua)矽(gui)器(qi)件(jian)中(zhong)，工(gong)程(cheng)師(shi)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)具(ju)有(you)更(geng)高(gao)電(dian)導(dao)率(lv)的(de)漂(piao)移(yi)區(qu)，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)漂(piao)移(yi)區(qu)電(dian)阻(zu)的(de)總(zong)比(bi)重(zhong)。

圖2：平麵DMOS SiC MOSFET(左)和垂直溝槽TMOS SiC MOSFET的剖麵圖，以及與電阻有關的貢獻的相應位置

設計者必須考慮到，MOSFET的關鍵部分——碳化矽外延與柵極氧化層（二氧化矽）之間的界麵，與矽相比有以下差異：

SiC的單位麵積的表麵態密度比Si高，導致Si-和C-懸掛鍵的密度更高。靠近界麵的柵極氧化層中的缺陷可能在帶隙內出現，並成為電子的陷阱。

熱生長氧化物的厚度在很大程度上取決於晶麵。

與矽器件相比，SiC器件在阻斷模式下的漏極誘導電場要高得多（MV而不是kV）。這就需要采取措施限製柵極氧化物中的電場
，以保持氧化物在阻斷階段的可靠性。另見圖3：對於TMOS（溝槽MOSFET），薄弱點是溝槽拐角
，而對於DMOS（雙擴散金屬氧化物半導體），薄弱點是元胞的中心。

與Si器件相比

，SiC MOS結構在給定的電場下顯示出更高的隧穿電流
，因為勢壘高度較低。因此
，工程師必須限製界麵上SiC一側的電場。

上麵提到的界麵缺陷導致了非常低的溝道遷移率。因此，溝道對總導通電阻的貢獻很大。所以，SiC相對於矽
，因為非常低的漂移區電阻而獲得的優勢，被較高的溝道電阻削弱。

控製柵氧化層的電場強度

一個常用的降低溝道電阻的方法

，是在導通狀態下增加施加在柵氧化層上的電場——或者通過更高的柵源(VGS(on))偏壓進行導通
，或者使用相當薄的柵極氧化層。所應用的電場超過了通常用於矽基MOSFET器件的數值(4至5MV/cm
，而矽中最大為3MV/cm)。在導通狀態下，處於這種高電場的柵氧化層有可能加速老化
，並限製了篩選外在氧化物缺陷的能力[1]。

圖3

左圖：平麵MOSFET（半元胞）的典型結構。它顯示了與氧化物場應力有關的兩個敏感區域。

右圖：溝槽式MOSFET(半元胞)的典型結構。這裏的關鍵問題是溝槽邊角的氧化層應力。

基於這些考慮，很明顯，SiC中的平麵MOSFET器件實際上有兩個與氧化物場應力有關的敏感區域
，如圖3的de左zuo邊bian部bu分fen所suo示shi。首shou先xian
，在zai反fan向xiang阻zu斷duan模mo式shi下xia，漂piao移yi區qu和he柵zha極ji氧yang化hua物wu界jie麵mian存cun在zai高gao電dian場chang應ying力li。其qi次ci
，柵zha極ji和he源yuan極ji之zhi間jian的de重zhong疊die部bu分fen在zai導dao通tong狀zhuang態tai下xia有you應ying力li。

在(zai)導(dao)通(tong)狀(zhuang)態(tai)下(xia)的(de)高(gao)電(dian)場(chang)被(bei)認(ren)為(wei)是(shi)更(geng)危(wei)險(xian)的(de)


，因(yin)為(wei)隻(zhi)要(yao)保(bao)證(zheng)導(dao)通(tong)時(shi)的(de)性(xing)能(neng)
，就(jiu)沒(mei)有(you)器(qi)件(jian)設(she)計(ji)措(cuo)施(shi)可(ke)以(yi)減(jian)少(shao)導(dao)通(tong)狀(zhuang)態(tai)下(xia)的(de)電(dian)場(chang)應(ying)力(li)。我(wo)們(men)的(de)總(zong)體(ti)目(mu)標(biao)是(shi)在(zai)盡(jin)量(liang)減(jian)小(xiao)SiC的RDS(on)的同時，保證柵極氧化層安全可靠。

因此，我們決定放棄DMOS技(ji)術(shu)，從(cong)一(yi)開(kai)始(shi)就(jiu)專(zhuan)注(zhu)於(yu)溝(gou)槽(cao)型(xing)器(qi)件(jian)。從(cong)具(ju)有(you)高(gao)缺(que)陷(xian)密(mi)度(du)的(de)晶(jing)麵(mian)轉(zhuan)向(xiang)其(qi)他(ta)更(geng)有(you)利(li)的(de)晶(jing)麵(mian)方(fang)向(xiang)
，可(ke)以(yi)在(zai)低(di)柵(zha)氧(yang)化(hua)層(ceng)場(chang)強(qiang)下(xia)實(shi)現(xian)低(di)通(tong)道(dao)電(dian)阻(zu)。

我們開發了CoolSiC™ MOSFET元胞設計，以限製通態和斷態時柵極氧化物中的電場（見圖4）。同時
，它為1200V級別提供了一個有吸引力的比導通電阻，即使在大規模生產中也能以穩定和可重複的方式實現。低導通電阻使得VGS(on)電壓可以使用低至15V的偏壓，同時有足夠高的柵源-閾值電壓，通常為4.5V。這些數值是SiC晶體管領域的基準。

該(gai)設(she)計(ji)的(de)特(te)點(dian)包(bao)括(kuo)通(tong)過(guo)自(zi)對(dui)準(zhun)工(gong)藝(yi)將(jiang)溝(gou)道(dao)定(ding)位(wei)在(zai)一(yi)個(ge)單(dan)一(yi)的(de)晶(jing)麵(mian)。這(zhe)確(que)保(bao)了(le)最(zui)高(gao)的(de)溝(gou)道(dao)遷(qian)移(yi)率(lv)

，並(bing)縮(suo)小(xiao)了(le)閾(yu)值(zhi)電(dian)壓(ya)分(fen)布(bu)範(fan)圍(wei)。另(ling)一(yi)個(ge)特(te)點(dian)是(shi)深(shen)p型與實際的MOS溝槽在中心相交，以便允許窄的p+到p+間距尺寸，從而有效地屏蔽溝槽氧化層拐角。

總之，我們可以說，應用於我們的CoolSiC™器件的設計理念不僅提供了良好的導通電阻
，而且還為大規模生產提供了可靠的製造工藝。

圖4：CoolSiC™ MOSFET元胞結構剖麵圖

來源： 英飛淩，趙佳

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