SiC MOSFET真的有必要使用溝槽柵嗎？

眾所周知，“挖坑”是英飛凌的祖?zhèn)魇炙?。在硅?a target="_blank">產(chǎn)品時(shí)代，英飛凌的溝槽型IGBT（例如TRENCHSTOP系列）和溝槽型的MOSFET就獨(dú)步天下。在碳化硅的時(shí)代，市面上大部分的SiC MOSFET都是平面型元胞，而英飛凌依然延續(xù)了溝槽路線(xiàn)。難道英飛凌除了“挖坑”，就不會(huì)干別的了嗎？非也。因?yàn)镾iC材料獨(dú)有的特性，SiC MOSFET選擇溝槽結(jié)構(gòu)，和IGBT是完全不同的思路。咱們一起來(lái)捋一捋。

MOSFET全稱(chēng)金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)。MOSFET的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如下圖所示：硅片表面生長(zhǎng)一層薄薄的氧化層，其上覆蓋多晶硅形成門(mén)極，門(mén)極兩側(cè)分別是N型注入的源極和漏極。當(dāng)門(mén)極上施加的電壓高于閾值電壓時(shí)，門(mén)極氧化層下面就形成了強(qiáng)反型層溝道。這時(shí)再給漏源極之間施加一個(gè)正壓，電子就可以從源極經(jīng)過(guò)反型層溝道，源源不斷地流到漏極。電流就這樣形成了。

功率MOSFET為了維持較高的擊穿電壓，將漏極放在芯片背面，整個(gè)漂移層承受電壓。功率MOSFET的導(dǎo)通電阻，由幾部分構(gòu)成：源極金屬接觸電阻、溝道電阻、JFET電阻、漂移區(qū)電阻、漏極金屬接觸電阻。設(shè)計(jì)人員總是要千方百計(jì)地降低導(dǎo)通電阻，進(jìn)而降低器件損耗。對(duì)于高壓硅基功率器件來(lái)說(shuō)，為了維持比較高的擊穿電壓，一般需要使用較低摻雜率以及比較寬的漂移區(qū)，因此漂移區(qū)電阻在總電阻中占比較大。碳化硅材料臨界電場(chǎng)強(qiáng)度約是硅的10倍，因此碳化硅器件的漂移區(qū)厚度可以大大降低。對(duì)于1200V及以下的碳化硅器件來(lái)說(shuō)，溝道電阻的成為總電阻中占比最大的部分。因此，減少溝道電阻是優(yōu)化總電阻的關(guān)鍵所在。

再來(lái)看溝道電阻的公式。

式中：

Lchannel：溝道長(zhǎng)度，

Wchannel：溝道寬度，

COX：柵氧電容，

μn,channel：溝道電子遷移率

從上式可以看出，溝道電阻和溝道電子遷移率（μn,channel）成反比。溝道形成于SiO2界面處，因此SiO2界面質(zhì)量對(duì)于溝道電子遷移率有直接的影響。通俗一點(diǎn)說(shuō)，電子在溝道中流動(dòng)，好比汽車(chē)在高速公路上行駛。路面越平整，車(chē)速就越快。如果路面全是坑，汽車(chē)就不得不減速。而不幸的是，碳化硅材料形成的SiC-SiO2界面，缺陷密度要比Si-SiO2高得多。這些缺陷在電子流過(guò)會(huì)捕獲電子，電子遷移率下降，從而溝道電阻率上升。

平面型器件怎么解決這個(gè)問(wèn)題呢？再看一下溝道電阻的公式，可以看到有幾個(gè)簡(jiǎn)單粗暴的辦法：提高柵極電壓Vgs，或者降低柵極氧化層厚度，或者降低閾值電壓Vth。前兩個(gè)辦法，都會(huì)提高柵極氧化層中的電場(chǎng)強(qiáng)度，但太高的電場(chǎng)強(qiáng)度不利于器件的長(zhǎng)期可靠性(柵氧化層的擊穿電壓一般是10MV/cm，但4MV/cm以上的場(chǎng)強(qiáng)就會(huì)提高器件長(zhǎng)期潛在失效率)。如果器件的閾值電壓Vth太低，在實(shí)際開(kāi)關(guān)過(guò)程中，容易發(fā)生寄生導(dǎo)通。更嚴(yán)重的是，閾值電壓Vth會(huì)隨著溫度的升高而降低，高溫下的寄生導(dǎo)通問(wèn)題會(huì)更明顯。

平面型SiC MOSFET柵氧薄弱點(diǎn)

好像進(jìn)入到一個(gè)進(jìn)退兩難的境地了？別忘了，碳化硅是各向異性的晶體，不同的晶面，其態(tài)密度也是不同的。英飛凌就找到了一個(gè)晶面，這個(gè)晶面與垂直方向有4°的夾角，在這個(gè)晶面上生長(zhǎng)SiO2, 得到的缺陷密度是最低的。這個(gè)晶面接近垂直于表面，于是，英飛凌祖?zhèn)鞯摹蓖诳印笔炙嚕团缮嫌脠?chǎng)了。CoolSiC MOSFET也就誕生了。需要強(qiáng)調(diào)一下，不是所有的溝槽型MOSFET都是CoolSiC! CoolSiC是英飛凌碳化硅產(chǎn)品的商標(biāo)。CoolSiC MOSFET具有下圖所示非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。

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CoolSiC MOSFET使用溝槽有什么好處？

首先，垂直晶面缺陷密度低，溝道電子遷移率高。所以，我們可以使用相對(duì)比較厚的柵極氧化層，同樣實(shí)現(xiàn)很低的導(dǎo)通電阻。因?yàn)檠趸瘜拥暮穸缺容^厚，不論開(kāi)通還是關(guān)斷狀態(tài)下，它承受的場(chǎng)強(qiáng)都比較低，所以器件可靠性和壽命都更高。下圖比較了英飛凌CoolSiC MOSFET與硅器件，以及其它品牌SiC MOSFET的柵氧化層厚度對(duì)比。可以看到，CoolSiC MOSFET 柵氧化層厚度為70nm，與Si器件相當(dāng)。而其它平面型SiC MOSFET柵氧化層厚度最大僅為50nm。如果施加同樣的柵極電壓，平面型的SiC MOSFET柵氧化層上的場(chǎng)強(qiáng)就要比溝槽型的器件增加30%左右。

而且，CoolSiC MOSFET閾值電壓約為4.5V，在市面上屬于比較高的值。這樣做的好處是在橋式應(yīng)用中，不容易發(fā)生寄生導(dǎo)通。下圖比較了英飛凌CoolSiCMOSFET與其它競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的閾值電壓，以及在最?lèi)毫庸r下，由米勒電容引起的柵極電壓過(guò)沖。如果米勒電壓過(guò)沖高于閾值電壓，意味著可能發(fā)生寄生導(dǎo)通。英飛凌CoolSiC器件的米勒電壓低于閾值電壓，實(shí)際應(yīng)用中一般不需要米勒鉗位，節(jié)省驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)間與成本。

要說(shuō)給人挖坑容易，給SiC“挖坑”，可就沒(méi)那么簡(jiǎn)單了。碳化硅莫氏硬度9.5，僅次于金剛石。在這么堅(jiān)硬的材料上不光要挖坑，還要挖得光滑圓潤(rùn)。這是因?yàn)?，溝槽的倒角處，是電?chǎng)最容易集中的地方，CoolSiC不光完美處理了倒角，還上了雙保險(xiǎn)，在溝槽一側(cè)設(shè)置了深P阱。在器件承受反壓時(shí)，深P阱可以包裹住溝槽的倒角，從而減輕電場(chǎng)集中的現(xiàn)象。

深P阱的另一個(gè)功能，是作為體二極管的陽(yáng)極。通常的MOSFET體二極管陽(yáng)極都是由P基區(qū)充當(dāng)，深P阱的注入濃度和深度都高于P基區(qū)，可以使體二極管導(dǎo)通壓降更低，抗浪涌能力更強(qiáng)。

好的，CoolSiC MOSFET就先介紹到這里了。CoolSiC MOSFET不是單純的溝槽型MOSFET，它在獨(dú)特的晶面上形成溝道，并且有非對(duì)稱(chēng)的深P阱結(jié)構(gòu)，這使得CoolSiCMOSFET具有較低的導(dǎo)通電阻，與Si器件類(lèi)似的可靠性，以及良好的體二極管特性。

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再來(lái)概括一下全文內(nèi)容：

為什么需要溝槽型SiC MOSFET？

我需要SiC MOSFET具有比較低的導(dǎo)通電阻Rdson→我不能單純地提高柵極電壓，降低閾值電壓或者降低柵氧化層的厚度，這樣可能使器件壽命下降→我找到一個(gè)垂直的晶面，它具有最低的缺陷率，從而允許更高的溝道電子遷移率→開(kāi)始“挖坑”

溝槽型CoolSiC MOSFET有什么好處？

導(dǎo)通電阻低，芯片面積小

閾值電壓高，米勒電容小，不易發(fā)生寄生導(dǎo)通。

非對(duì)稱(chēng)的深P阱結(jié)構(gòu)緩解溝槽拐角處電場(chǎng)，另外形成增強(qiáng)型的體二極管結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了二極管特性。

與Si IGBT相當(dāng)?shù)臇艠O氧化層厚度，壽命及可靠性與Si器件相當(dāng)

能過(guò)總結(jié)我們可以看出，SiC MOSFET使用溝槽柵能大大提升器件參數(shù)、可靠性及壽命。