新型溝槽SiC基MOSFET器件研究

SiC具有高效節(jié)能、穩(wěn)定性好、工作頻率高、能量密度高等優(yōu)勢，SiC溝槽MOSFET（UMOSFET）具有高溫工作能力、低開關(guān)損耗、低導(dǎo)通損耗、快速開關(guān)速度等特點(diǎn)，在新能源發(fā)電、電動(dòng)汽車、工業(yè)自動(dòng)化、航空航天等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。隨著SiC材料和制造工藝的進(jìn)一步發(fā)展和成熟，SiC溝槽MOSFET有望取得更大的突破和應(yīng)用。

近日，第九屆國際第三代半導(dǎo)體論壇（IFWS）&第二十屆中國國際半導(dǎo)體照明論壇（SSLCHINA）于廈門召開。期間，“碳化硅功率器件及其封裝技術(shù)”分會(huì)上，廈門大學(xué)張峰教授做了“新型溝槽SiC基MOSFET器件研究”的主題報(bào)告，分享了最新研究進(jìn)展，涉及SiC MOSFET器件研究進(jìn)展、SiC UMOSFET研究進(jìn)展、SiC UMOSFET新結(jié)構(gòu)器件等。

報(bào)告指出，SiC MOSFET器件研究方面，成功研制600V和1200V SiC基MOSFET，性能達(dá)到國際水平。國內(nèi)首次研制出1200V 60mohm、80mohm和100mohm SiC MOSFET器件。目前SiC MOSFET的問題涉及柵氧化層的可靠性仍然是SiC MOSFET器件需要解決的關(guān)鍵問題；閾值電壓Vth隨溫度提高下降；柵壓非對稱性（如-10V—25V）；DMOSFET器件溝道遷移率較低，通態(tài)電阻較高；UMOSFET器件可靠性亟需提高；1200V以下，溝槽MOSFET將是未來SiC MOSFET器件的發(fā)展方向。

從SiC UMOSFET國內(nèi)外進(jìn)展來看，SiC UMOSFET在降低比導(dǎo)通電阻和晶圓成本方面更具優(yōu)勢。1200V SiC MOSFET需要5μm以下元胞尺寸。大電流芯片良率降低導(dǎo)致芯片每安培成本居高不下，約為Si IGBT 2-3倍。提高可靠性是未來SiC UMOSFET器件的發(fā)展趨勢。

SiC UMOSFET新結(jié)構(gòu)研究方面，涉及改變傳統(tǒng)器件導(dǎo)通方向，創(chuàng)新性地采用逆向?qū)系澜Y(jié)構(gòu)，提高可集成性。成功實(shí)現(xiàn)正反偏置下的主溝槽槽角氧化物電場均低于0.5 MV/cm，國際領(lǐng)先。具有納秒量級(jí)的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間。開關(guān)損耗相比于傳統(tǒng)器件降低64.5%等。報(bào)告中分享了半超結(jié)溝槽MOSFET的設(shè)計(jì)、埋層超結(jié)溝槽MOSFET的設(shè)計(jì)等。

其中，半超結(jié)構(gòu)溝槽MOSFET的設(shè)計(jì)研究顯示，擊穿特性與電場分布方面，超結(jié)耗盡緩解了屏蔽層拐角處的電場擁擠效應(yīng)，使GSS-UMOS和NGSS-UMOS的耐壓能力分別提升了41%和23%。

米勒電容（電荷）方面，當(dāng)超結(jié)接地時(shí)，超結(jié)充分耗盡使米勒電容下降了66%，米勒電荷下降了59%。超結(jié)浮空時(shí)，超結(jié)耗盡程度大幅降低引起米勒電容和米勒電荷的增大。

開關(guān)特性方面，米勒電容與米勒電荷的下降使器件具有更快的開關(guān)時(shí)間和更低的開關(guān)損耗。開關(guān)頻率為33 kHz時(shí),GSS-UMOS的開關(guān)時(shí)間快了25 ns。開關(guān)頻率為50 kHz時(shí),GSS-UMOS的開關(guān)時(shí)間快了21 ns。

開關(guān)特性（損耗）方面，米勒電容與米勒電荷的下降使器件具有更快的開關(guān)時(shí)間和更低的開關(guān)損耗。開關(guān)頻率為75 kHz時(shí)，GSS-UMOS的開關(guān)時(shí)間加快了25 ns。開關(guān)頻率的升高使得器件的開關(guān)轉(zhuǎn)換效率降低。埋層超結(jié)溝槽MOSFET的設(shè)計(jì)研究顯示，轉(zhuǎn)移、輸出特性方面，電流傳輸層使器件反型層溝道加快形成，降低了器件的閾值電壓。傳輸層使器件的電流密度增大，使比導(dǎo)通電阻下降35%。

電流密度方面，CT-UMOS的飽和電流密度為2.7e5 A/cm2,BLS-UMOS的飽和電流密度為5.1e5A/cm2。高摻雜的N傳輸層能夠更高的電流密度。

擊穿特性與電場強(qiáng)度方面，P埋層的耗盡使BLS-UMOS的耐壓能力提升40%，同時(shí)改善了器件柵極氧化層的可靠性。

米勒電容（電荷）方面，BLS-UMOS埋層與傳輸層耗盡產(chǎn)生的屏蔽作用，使米勒電容下降40%，米勒電荷下降26%。

審核編輯：劉清