新型溝槽SiC基MOSFET器件研究

SiC具有高效節能、穩定性好、工作頻率高、能量密度高等優勢，SiC溝槽MOSFET（UMOSFET）具有高溫工作能力、低開關損耗、低導通損耗、快速開關速度等特點，在新能源發電、電動汽車、工業自動化、航空航天等領域具有廣泛應用前景。隨著SiC材料和制造工藝的進一步發展和成熟，SiC溝槽MOSFET有望取得更大的突破和應用。

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

報告指出，SiC MOSFET器件研究方面，成功研制600V和1200V SiC基MOSFET，性能達到國際水平。國內首次研制出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器件的發展方向。

從SiC UMOSFET國內外進展來看，SiC UMOSFET在降低比導通電阻和晶圓成本方面更具優勢。1200V SiC MOSFET需要5μm以下元胞尺寸。大電流芯片良率降低導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器件的發展趨勢。

SiC UMOSFET新結構研究方面，涉及改變傳統器件導通方向，創新性地采用逆向導通溝道結構，提高可集成性。成功實現正反偏置下的主溝槽槽角氧化物電場均低于0.5 MV/cm，國際領先。具有納秒量級的導通和關斷時間。開關損耗相比于傳統器件降低64.5%等。報告中分享了半超結溝槽MOSFET的設計、埋層超結溝槽MOSFET的設計等。

其中，半超結構溝槽MOSFET的設計研究顯示，擊穿特性與電場分布方面，超結耗盡緩解了屏蔽層拐角處的電場擁擠效應，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，當超結接地時，超結充分耗盡使米勒電容下降了66%，米勒電荷下降了59%。超結浮空時，超結耗盡程度大幅降低引起米勒電容和米勒電荷的增大。

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

開關特性（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時間和更低的開關損耗。開關頻率為75 kHz時，GSS-UMOS的開關時間加快了25 ns。開關頻率的升高使得器件的開關轉換效率降低。埋層超結溝槽MOSFET的設計研究顯示，轉移、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。

擊穿特性與電場強度方面，P埋層的耗盡使BLS-UMOS的耐壓能力提升40%，同時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