SiC MOSFET滿(mǎn)足了電力電子行業(yè)對(duì)更高效率、更高功率密度以及在極端溫度下運(yùn)行的要求，其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋電動(dòng)汽車(chē)（EV）牽引逆變器、可再生能源系統(tǒng)和工業(yè)電源。本文將深入討論不同的SiC MOSFET架構(gòu)方案。

MOSFET作為開(kāi)關(guān)器件在電力電子領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。作為一種寬禁帶半導(dǎo)體，SiC 相比硅具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，包括更高的擊穿電場(chǎng)、更高的導(dǎo)熱率、更低的導(dǎo)通電阻、更快的開(kāi)關(guān)速度、更高的工作溫度。

SiC之所以能實(shí)現(xiàn)比硅更低的導(dǎo)通電阻，是因?yàn)槠涓叩膿舸╇妶?chǎng)允許使用更薄、摻雜更重的漂移層。這降低了導(dǎo)通損耗并提高了功率密度，彌補(bǔ)了 SiC 溝道遷移率較低的劣勢(shì)，使其非常適合高壓電力電子應(yīng)用。更薄的層也意味著更小的結(jié)電容，從而在開(kāi)關(guān)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)更快的充放電，即更高的開(kāi)關(guān)頻率。

這些優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為更小、更輕且更高效的電源系統(tǒng)。然而，MOSFET本身的架構(gòu)在發(fā)揮這些材料優(yōu)勢(shì)方面起著至關(guān)重要的作用。下文會(huì)介紹幾種目前業(yè)內(nèi)比較主流的SiC MOSFET架構(gòu)。

平面型MOSFET (Planar MOSFET)

平面型SiC MOSFET架構(gòu)是第一代商用 SiC 功率器件，由于其可制造性，大多數(shù)公司仍在繼續(xù)使用。在這種結(jié)構(gòu)中，柵電極放置在 SiC 晶圓表面，通過(guò)水平溝道控制電流。

該架構(gòu)的主要優(yōu)勢(shì)在于制造工藝更簡(jiǎn)單、技術(shù)更成熟，與更復(fù)雜的架構(gòu)相比，能實(shí)現(xiàn)更高的良率和更低的生產(chǎn)成本。此外，由于柵氧化層生長(zhǎng)在平坦表面上，更容易控制其質(zhì)量和厚度，從而避免了可靠性方面的隱患。

其主要挑戰(zhàn)在于，由于相鄰單元之間區(qū)域存在結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）效應(yīng)，且電流通過(guò)器件的路徑較長(zhǎng)，導(dǎo)致溝道比導(dǎo)通電阻較高。這種固有限制降低了功率密度并增加了導(dǎo)通損耗，尤其是在較高工作溫度下。

盡管存在這些挑戰(zhàn)，平面型SiC MOSFET仍被廣泛使用，特別是在成本和成熟度為優(yōu)先考量的應(yīng)用中。

溝槽型MOSFET(Trench MOSFET)

在溝槽架構(gòu)中，柵電極垂直嵌入 SiC 襯底中，沿溝槽側(cè)壁形成垂直溝道。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)旨在顯著提高溝道密度，消除影響平面型器件的 JFET 電阻。

由于寄生電容減小，這使得比導(dǎo)通電阻更低，并改善了開(kāi)關(guān)特性。此外，這種結(jié)構(gòu)提供了更高的單元密度，意味著可以在相同的硅面積內(nèi)封裝更多的晶體管，從而實(shí)現(xiàn)更小、更高效的芯片。

該結(jié)構(gòu)的主要挑戰(zhàn)在于電場(chǎng)管理。當(dāng)器件處于阻斷狀態(tài)時(shí)，極高的電場(chǎng)會(huì)集中在柵極溝槽的底部和尖角處。這種電場(chǎng)集中可能會(huì)影響器件的長(zhǎng)期可靠性，因?yàn)闁叛趸瘜釉谶@些應(yīng)力條件下可能會(huì)隨時(shí)間推移而退化。

這種可靠性問(wèn)題最初阻礙了溝槽型SiC MOSFET的廣泛采用。因此，該架構(gòu)雖然提供了顯著的性能提升，但需要先進(jìn)的工藝控制。

雙溝槽型MOSFET(Double-trench MOSFET)

為了解決傳統(tǒng)（單）溝槽結(jié)構(gòu)的柵氧化層可靠性挑戰(zhàn)，羅姆半導(dǎo)體在其第三代SiC MOSFET中引入了雙溝槽結(jié)構(gòu)。

雙溝槽結(jié)構(gòu)降低了柵極溝槽底部的電場(chǎng)集中，并最大化了溝道密度以進(jìn)一步降低導(dǎo)通電阻。通過(guò)實(shí)施這種設(shè)計(jì)，羅姆相比其早期的平面型器件，實(shí)現(xiàn)了約 50% 的導(dǎo)通電阻降低和 35% 的輸入電容降低。

非對(duì)稱(chēng)溝槽型MOSFET(Asymmetric trench MOSFET)

英飛凌提出了另一種解決柵氧化層可靠性挑戰(zhàn)的方案，在 CoolSiC系列中引入了非對(duì)稱(chēng)溝槽結(jié)構(gòu)，其中溝槽的僅一側(cè)用作溝道。這允許另一側(cè)針對(duì)屏蔽進(jìn)行優(yōu)化，在開(kāi)關(guān)速度和長(zhǎng)期可靠性之間取得平衡。

除了提高柵氧化層可靠性外，該設(shè)計(jì)還提供了額外的優(yōu)勢(shì)，包括減少柵極電荷和降低器件電容，以及減少開(kāi)關(guān)和導(dǎo)通損耗。此外，擴(kuò)展的 p 型屏蔽區(qū)域還充當(dāng)集成續(xù)流體二極管的發(fā)射極，改善了反向?qū)ㄌ匦圆⑾朔床⒙?lián)二極管的反向恢復(fù)損耗。

英飛凌的 CoolSiC MOSFET提供 400 V 至 3300 V 的電壓等級(jí)，服務(wù)于從 AI 服務(wù)器電源到高壓工業(yè)驅(qū)動(dòng)的各種應(yīng)用。該公司的溝槽技術(shù)已通過(guò)全球汽車(chē)牽引逆變器以及工業(yè)系統(tǒng)的廣泛部署得到驗(yàn)證。

“深” 雙溝槽和非對(duì)稱(chēng)階梯溝槽變體

羅姆的第四代SiC MOSFET采用了先進(jìn)的雙溝槽架構(gòu)，具有更深的 p 屏蔽區(qū)域和源極溝槽，以進(jìn)一步降低柵氧化層電場(chǎng)。這種深雙溝槽單元結(jié)構(gòu)（稱(chēng)為 DDT-MOS）與上一代SiC MOSFET中使用的 DT-MOS 雙溝槽結(jié)構(gòu)不同。雖然該解決方案顯著降低了柵氧化層中的電場(chǎng)，但深源極溝槽占據(jù)了單元的更大面積，可能限制了溝道密度的提升。

這一概念的進(jìn)一步演變是非對(duì)稱(chēng)階梯溝槽MOSFET（AST-MOS）結(jié)構(gòu)。它具有階梯狀溝槽，一側(cè)有額外的電子電流路徑，并在底部采用厚氧化層作為耐壓區(qū)域。

AST-MOS 結(jié)構(gòu)可以看作是羅姆 DT-MOS 和英飛凌科技非對(duì)稱(chēng)溝槽 MOSFET（AT-MOS）的混合體。AST-MOS 架構(gòu)的仿真結(jié)果表明，它可以在保持低柵氧化層應(yīng)力的同時(shí)，顯著提高擊穿電壓和導(dǎo)通電阻。

溝槽輔助平面型MOSFET(Trench-assisted planar MOSFET)

溝槽輔助平面（TAP）架構(gòu)代表了傳統(tǒng)平面型和溝槽型設(shè)計(jì)之間的折衷方案。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)現(xiàn)歸屬于納微半導(dǎo)體，源自其對(duì) GeneSiC Semiconductor 的收購(gòu)。該公司現(xiàn)在將此技術(shù)納入其 GeneSiC產(chǎn)品線(xiàn)。

該解決方案由平面柵極結(jié)構(gòu)組成，在源極區(qū)域蝕刻有一個(gè)非常淺的溝槽。這種 “源極溝槽” 減小了單元間距（單元之間的距離），而沒(méi)有垂直柵極溝槽的制造復(fù)雜性或氧化層應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)。

這種混合設(shè)計(jì)相比平面架構(gòu)顯著改善了導(dǎo)通電阻，同時(shí)保持了平面柵極的可制造性和可靠性?xún)?yōu)勢(shì)。淺溝槽創(chuàng)建了多步輪廓，有助于增強(qiáng)整個(gè)器件的電流擴(kuò)展，從而在無(wú)需全溝槽結(jié)構(gòu)所需的深度蝕刻和復(fù)雜工藝的情況下降低了電阻。

V型溝槽MOSFET(V-Groove MOSFET)

三菱電機(jī)開(kāi)發(fā)了專(zhuān)有的 V 型溝槽SiC MOSFET，其特征是柵電極嵌入晶圓表面的 V 形凹槽溝槽中。這種 V 型溝槽結(jié)構(gòu)有助于實(shí)現(xiàn)高效率，與傳統(tǒng)平面型SiC MOSFET相比，降低了溝道電阻并顯著減少了功率損耗。

三菱的方法需要專(zhuān)門(mén)的蝕刻工藝，還包括將肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）直接集成到MOSFET芯片中，這進(jìn)一步提高了高壓 SiC 功率模塊的功率密度和器件性能。

素材來(lái)源：半導(dǎo)縱橫及網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)