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)魇炙嚒Ｔ诠杌a(chǎn)品時代，英飛凌的溝槽型IGBT（例如TRENCHSTOP系列）和溝槽型的MOSFET就獨步天下。在碳化硅的時代，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。難道英飛凌除了“挖坑”，就不會干別的了嗎？非也。因為SiC材料獨有的特性，SiC MOSFET選擇溝槽結(jié)構(gòu)，和IGBT是完全不同的思路。咱們一起來捋一捋。

關(guān)于IGBT使用溝槽柵的原因及特點，可以參考下面兩篇文章：

●   英飛凌芯片簡史

●   平面型與溝槽型IGBT結(jié)構(gòu)淺析

MOSFET全稱金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)。MOSFET的簡化結(jié)構(gòu)如下圖所示：硅片表面生長一層薄薄的氧化層，其上覆蓋多晶硅形成門極，門極兩側(cè)分別是N型注入的源極和漏極。當(dāng)門極上施加的電壓高于閾值電壓時，門極氧化層下面就形成了強反型層溝道。這時再給漏源極之間施加一個正壓，電子就可以從源極經(jīng)過反型層溝道，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)計人員總是要千方百計地降低導(dǎo)通電阻，進(jìn)而降低器件損耗。對于高壓硅基功率器件來說，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強度約是硅的10倍，因此碳化硅器件的漂移區(qū)厚度可以大大降低。對于1200V及以下的碳化硅器件來說，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。

再來看溝道電阻的公式。

式中：

Lchannel：溝道長度，

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)量對于溝道電子遷移率有直接的影響。通俗一點說，電子在溝道中流動，好比汽車在高速公路上行駛。路面越平整，車速就越快。如果路面全是坑，汽車就不得不減速。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會捕獲電子，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問題呢？再看一下溝道電阻的公式，可以看到有幾個簡單粗暴的辦法：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。前兩個辦法，都會提高柵極氧化層中的電場強度，但太高的電場強度不利于器件的長期可靠性(柵氧化層的擊穿電壓一般是10MV/cm，但4MV/cm以上的場強就會提高器件長期潛在失效率)。如果器件的閾值電壓Vth太低，在實際開關(guān)過程中，容易發(fā)生寄生導(dǎo)通。更嚴(yán)重的是，閾值電壓Vth會隨著溫度的升高而降低，高溫下的寄生導(dǎo)通問題會更明顯。

平面型SiC MOSFET柵氧薄弱點

好像進(jìn)入到一個進(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晶面，這個晶面與垂直方向有4°的夾角，在這個晶面上生長SiO2, 得到的缺陷密度是最低的。這個晶面接近垂直于表面，于是，英飛凌祖?zhèn)鞯摹蓖诳印笔炙?，就派上用場了。CoolSiC? MOSFET也就誕生了。需要強調(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具有下圖所示非對稱結(jié)構(gòu)。

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，我們可以使用相對比較厚的柵極氧化層，同樣實現(xiàn)很低的導(dǎo)通電阻。因為氧化層的厚度比較厚，不論開通還是關(guān)斷狀態(tài)下，它承受的場強都比較低，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的柵氧化層厚度對比?？梢钥吹?，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柵氧化層上的場強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CoolSiC? MOSFET與其它競爭對手的閾值電壓，以及在最惡劣工況下，由米勒電容引起的柵極電壓過沖。如果米勒電壓過沖高于閾值電壓，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，實際應(yīng)用中一般不需要米勒鉗位，節(jié)省驅(qū)動電路設(shè)計時間與成本。

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

深P阱的另一個功能，是作為體二極管的陽極。通常的MOSFET體二極管陽極都是由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。

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