SiC功率MOSFET内部晶胞单元的结构

碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料的代表性材料，下图1展示了SiC的材料优势，相较于 Si，SiC 具有更高的禁带宽度，使 SiC 器件的工作温度可达 300℃以上(传统 Si 器件为150 ℃)，适用于高温环境；此外，高禁带宽度使 SiC 的本征载流子浓度更低，从而大幅减小了器件的漏电流。SiC 具有更高的热导率，使 SiC 器件在相同散热系统下可耗散掉更高的热量，从而提升功率密度;同时 SiC 的高热导率有助于优化散热设计，从而增强器件在高功率应用中的稳定性。

SiC 的饱和电子漂移速度是 Si 的两倍，使电子在 SiC 器件中的响应速度更快，从而支持器件在更高频率下稳定工作。SiC 凭借其高临界电场和宽禁带特性，显著提升了器件阻断电压，相同芯片尺寸下，其阻断电压远超 Si 器件。同时，在相同阻断电压时，SiC 器件导通电阻更低，有效降低了静态损耗。此外，SiC 作为宽禁带材料，具有独特的工艺优势，能够通过热氧化生成二氧化硅(SiO2) 层，使得其制造工艺与硅基器件高度兼容，降低了技术升级的难度和成本，使其在电力电子器件领域得到广泛关注。

图1 SiC, Si, GaN参数对比

SiC功率MOSFET内部晶胞单元的结构，主要有二种：平面结构和沟槽结构，如下图2所示。沟槽结构MOSFET相对于传统的平面结构MOSFET有更低的导通损耗、更好的开关性能、提高晶圆密度并可避免寄生JFET效应的产生，近年来备受关注。沟槽结构SiC MOSFET最主要的问题在于，由于器件工作在高压状态，内部的工作电场强度高，尤其是沟槽底部，工作电场强度非常更高，很容易在局部超过最大的临界电场强度，从而产生局部的击穿，影响器件工作的可靠性，如下图3所示。业界为了解决以上问题，演绎出了几种改进结构，槽底屏蔽区结构、双沟槽结构、不对称屏蔽区结构、加厚栅介质结构以及两侧屏蔽区结构。

图2 沟槽结构和平面结构SiC MOSFET

图3 SiC MOSFET内部电场分布

总结来说，调节SiC性能的关键在于通过合适的间距、合适参数的屏蔽区，调节沟槽底部的电场分布以及分担栅介质电场，确保器件可靠性，同时不至于明显导通电阻。