SiC MOSFET真的有必要使用沟槽栅吗？

 

 

众所周知，“挖坑”是英飞凌的祖传手艺。在硅基产品时代，英飞凌的沟槽型IGBT（例如TRENCHSTOP系列）和沟槽型的MOSFET就独步天下。在碳化硅的时代，市面上大部分的SiC MOSFET都是平面型元胞，而英飞凌依然延续了沟槽路线。难道英飞凌除了“挖坑”，就不会干别的了吗？非也。因为SiC材料独有的特性，SiC MOSFET选择沟槽结构，和IGBT是完全不同的思路。咱们一起来捋一捋。

 

 

MOSFET全称金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)。MOSFET的简化结构如下图所示：硅片表面生长一层薄薄的氧化层，其上覆盖多晶硅形成门极，门极两侧分别是N型注入的源极和漏极。当门极上施加的电压高于阈值电压时，门极氧化层下面就形成了强反型层沟道。这时再给漏源极之间施加一个正压，电子就可以从源极经过反型层沟道，源源不断地流到漏极。电流就这样形成了。
 

 

 

功率MOSFET为了维持较高的击穿电压，将漏极放在芯片背面，整个漂移层承受电压。功率MOSFET的导通电阻，由几部分构成：源极金属接触电阻、沟道电阻、JFET电阻、漂移区电阻、漏极金属接触电阻。设计人员总是要千方百计地降低导通电阻，进而降低器件损耗。对于高压硅基功率器件来说，为了维持比较高的击穿电压，一般需要使用较低掺杂率以及比较宽的漂移区，因此漂移区电阻在总电阻中占比较大。碳化硅材料临界电场强度约是硅的10倍，因此碳化硅器件的漂移区厚度可以大大降低。对于1200V及以下的碳化硅器件来说，沟道电阻的成为总电阻中占比最大的部分。因此，减少沟道电阻是优化总电阻的关键所在。

 

 

再来看沟道电阻的公式。

 

式中：

Lchannel：沟道长度，

Wchannel：沟道宽度，

COX：栅氧电容，

μn,channel：沟道电子迁移率

 

从上式可以看出，沟道电阻和沟道电子迁移率（μn,channel）成反比。沟道形成于SiO2界面处，因此SiO2界面质量对于沟道电子迁移率有直接的影响。通俗一点说，电子在沟道中流动，好比汽车在高速公路上行驶。路面越平整，车速就越快。如果路面全是坑，汽车就不得不减速。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。这些缺陷在电子流过会捕获电子，电子迁移率下降，从而沟道电阻率上升。

 

 

平面型器件怎么解决这个问题呢？再看一下沟道电阻的公式，可以看到有几个简单粗暴的办法：提高栅极电压Vgs，或者降低栅极氧化层厚度，或者降低阈值电压Vth。前两个办法，都会提高栅极氧化层中的电场强度，但太高的电场强度不利于器件的长期可靠性(栅氧化层的击穿电压一般是10MV/cm，但4MV/cm以上的场强就会提高器件长期潜在失效率)。如果器件的阈值电压Vth太低，在实际开关过程中，容易发生寄生导通。更严重的是，阈值电压Vth会随着温度的升高而降低，高温下的寄生导通问题会更明显。

 

平面型SiC MOSFET栅氧薄弱点

 

好像进入到一个进退两难的境地了？别忘了，碳化硅是各向异性的晶体，不同的晶面，其态密度也是不同的。英飞凌就找到了一个晶面，这个晶面与垂直方向有4°的夹角，在这个晶面上生长SiO2, 得到的缺陷密度是最低的。这个晶面接近垂直于表面，于是，英飞凌祖传的”挖坑”手艺，就派上用场了。CoolSiC MOSFET也就诞生了。需要强调一下，不是所有的沟槽型MOSFET都是CoolSiC! CoolSiC是英飞凌碳化硅产品的商标。CoolSiC MOSFET具有下图所示非对称结构。

 

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CoolSiC  MOSFET使用沟槽有什么好处？

 

首先，垂直晶面缺陷密度低，沟道电子迁移率高。所以，我们可以使用相对比较厚的栅极氧化层，同样实现很低的导通电阻。因为氧化层的厚度比较厚，不论开通还是关断状态下，它承受的场强都比较低，所以器件可靠性和寿命都更高。下图比较了英飞凌CoolSiC MOSFET与硅器件，以及其它品牌SiC MOSFET的栅氧化层厚度对比。可以看到，CoolSiC MOSFET 栅氧化层厚度为70nm，与Si器件相当。而其它平面型SiC MOSFET栅氧化层厚度最大仅为50nm。如果施加同样的栅极电压，平面型的SiC MOSFET栅氧化层上的场强就要比沟槽型的器件增加30%左右。
 

 

 

而且，CoolSiC MOSFET阈值电压约为4.5V，在市面上属于比较高的值。这样做的好处是在桥式应用中，不容易发生寄生导通。下图比较了英飞凌CoolSiC MOSFET与其它竞争对手的阈值电压，以及在最恶劣工况下，由米勒电容引起的栅极电压过冲。如果米勒电压过冲高于阈值电压，意味着可能发生寄生导通。英飞凌CoolSiC 器件的米勒电压低于阈值电压，实际应用中一般不需要米勒钳位，节省驱动电路设计时间与成本。

 

 

要说给人挖坑容易，给SiC“挖坑”，可就没那么简单了。碳化硅莫氏硬度9.5，仅次于金刚石。在这么坚硬的材料上不光要挖坑，还要挖得光滑圆润。这是因为，沟槽的倒角处，是电场最容易集中的地方，CoolSiC 不光完美处理了倒角，还上了双保险，在沟槽一侧设置了深P阱。在器件承受反压时，深P阱可以包裹住沟槽的倒角，从而减轻电场集中的现象。

 

深P阱的另一个功能，是作为体二极管的阳极。通常的MOSFET体二极管阳极都是由P基区充当，深P阱的注入浓度和深度都高于P基区，可以使体二极管导通压降更低，抗浪涌能力更强。

 

好的，CoolSiC  MOSFET就先介绍到这里了。CoolSiC  MOSFET不是单纯的沟槽型MOSFET，它在独特的晶面上形成沟道，并且有非对称的深P阱结构，这使得CoolSiC MOSFET具有较低的导通电阻，与Si器件类似的可靠性，以及良好的体二极管特性。

 

 

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再来概括一下全文内容：

 

为什么需要沟槽型SiC MOSFET？

 

我需要SiC MOSFET具有比较低的导通电阻Rdson→我不能单纯地提高栅极电压，降低阈值电压或者降低栅氧化层的厚度，这样可能使器件寿命下降→我找到一个垂直的晶面，它具有最低的缺陷率，从而允许更高的沟道电子迁移率→开始“挖坑”

 

沟槽型CoolSiC MOSFET有什么好处？

 

导通电阻低，芯片面积小

阈值电压高，米勒电容小，不易发生寄生导通。

非对称的深P阱结构缓解沟槽拐角处电场，另外形成增强型的体二极管结构，优化了二极管特性。

与Si IGBT相当的栅极氧化层厚度，寿命及可靠性与Si器件相当

 

能过总结我们可以看出，SiC MOSFET使用沟槽栅能大大提升器件参数、可靠性及寿命。