一、 前言
随着電動汽車的發展，汽車功率器件晶片也正在尋求能夠有效處理更高工作電壓和溫度的元件。此時碳化矽 MOSFET 成為牽引逆變器等電動汽車構模組化塊的首選技術。基于碳化矽的逆變器可使高達 800V 的電氣系統顯著延長 EV 續航裡程并将充電時間減半。據行業研究公司IHS Markit 的資料，到 2025 年，全球高達 45% 的汽車生産将實作電氣化，每年将售出約 4600 萬輛電動汽車。據估計，到 2030 年，這些數字将上升到 57%，每年的電動汽車銷量約為 6200 萬輛。功率器件正從矽基 IGBT 發展至碳化矽 MOSFET 時代。
碳化矽的材料特性對比矽有了顯著的提升：碳化矽材料的臨界擊穿場強為矽的近10倍，體遷移率與矽接近，帶隙寬度是矽的3倍，電子飽和漂移速度是矽的2倍，熱導率也為矽的3倍。碳化矽器件和相同電壓檔矽器件相比，厚度約為矽器件的1/10，理論上通态壓降可以大大降低，在開關速率和開關損耗上優勢則更加明顯。
△ 圖1 SiC、GaN與Si材料特性比較
目前為止，碳化矽 MOSFET 在通态壓降上并未對矽基 IGBT 表現出預期的優勢。碳化矽 MOSFET 在襯底及外延層材料遷移率、SiC/SiO2界面表面遷移率方面的表現還有足夠的提升空間。圖2中顯示了碳化矽 Cool MOS與矽基 IGBT 導通損耗的對比。
△ 圖2 SiC MOSFET與Si IGBT特性比較
二、 碳化矽 MOSFET 器件比導通電阻的優化
降低碳化矽的比導通電阻，影響比導通電阻有以下幾個因素：
2.1 碳化矽 MOSFET 的遷移率
根據在MOSFET中的位置可以分為溝道遷移率和體遷移率：當MOSFET導通時，栅極下方的溝道内的遷移率我們稱之為溝道遷移率；在遠離栅極和材料表面的區域，我們稱之為體遷移率。
溝道遷移率可通過測量MOSFET的輸出特性來得到：這裡又可以将其分為（1）有效遷移率；（2）場效應遷移率；3）飽和遷移率。
溝道遷移率受到SiC/SiO2界面處的許多缺陷的限制，這導緻器件的場效應遷移率比其霍爾遷移率低兩個數量級。一般認為：SiC中Si的選擇性氧化導緻碳沉澱并在SiO2中形成碳團簇（C-cluster），從氧化動力學角度考慮界面的化學勢發現，界面的動态平衡性（dynamic equilibrium）限制了很高的碳化學勢，進而導緻了界面C-cluster缺陷具有較低的形成能，解釋了高的界面态密度的成因，而其缺陷能級位置靠近SiC的導帶底，是以降低了載流子的遷移率。
SiC MOSFET反型溝道電子主要散射機制包括：界面态電荷的庫倫散射、體晶格散射、離化雜質庫倫散射、表面粗糙散色以及表面聲子散射。下圖為SiC MOSFET溝道處的電子散射情況：
△ 圖3 溝道處電子遷移率影響因素
4H-SiC界面處主要由類受主缺陷對器件性能産生影響，庫倫遷移率決定于界面陷阱對溝道電子的散射。在降低比導通電阻方面，平面SiC MOSFET中JFET的電阻、MOSFET體電阻以及高濃度襯底電阻為總比導通電阻提供了相當大的貢獻。
2.2. 器件結構設計優化降低比導通電阻
其中溝道電阻:
其中
積累電阻：
JFET區電阻：
漂移區電阻為：
以一顆pitch 5.0μm的SiC MOSFET為例，栅氧化層厚度約450A，Vth~3.0V，LCH=0.5μm，改變栅寬來調整a的數值，在a=1μm，1.5μm，2μm條件下 ,以JFET平均濃度，漂移區厚度約10μm時：
△ 表1 使用襯底1 時比導通電阻構成
△ 表2 使用襯底2 時比導通電阻構成
△ 表3 漂移區濃度對Ronsp和Vth的影響
△ 圖4 SiC MOSFET電流擴充圖及JFET區域摻雜分布
外延層厚度和摻雜濃度一定的情況下：降低JFET區電阻、并優化電流擴充區濃度對降低總比導通電阻貢獻較大，RDsp與器件襯底狀态相關性高，需達到外延摻雜濃度和厚度的折中設計。減薄襯底厚度：當減薄厚度由175μm降低到110μm時，對于常見的1200V/80mohm SiC Planar Mosfet，預計導通電阻降低3mohm左右，換算成比導通電阻降低約0.13mohm.cm2。
2.3. Trench MOSFET取代Planar MOSFET降低比導通電阻
目前SiC MOSFET也正迎來從planar MOSFET向Trench MOS方向發展的趨勢，Planar MOSFET JFET區域電阻在總導通電阻中占比較大，而Trench MOS理論上不存在JFET區域。
△ 圖5 ROHM Trench MOSFET結構
△ 圖6 英飛淩 Trench MOSFET結構
以ROHM代表的雙溝槽結構和infineon為代表的半包結構代表SiC Trench MOSFET獨立發展的兩種結構。下圖為ROHM公司從平面結構向Trench發展的Ron的表現。
△ 圖7 ROHM 平面與溝槽MOSFET結構對比即比導通電阻比較
三、主流産品的性能比較
下圖為目前市面上各主要大廠的MOSFET性能比較：
△ 圖8 各主要廠商SiC MOSFET比導通電阻比較
四、結論
碳化矽MOSFET以低損耗，高阻斷，高溫工作，開關速度快等各優勢，不過在技術方面：SiC單晶材料雖然在導緻SiC功率半導體性能和可靠性下降的緻命缺陷微管密度降低和消除方面近年來取得很大進展，但位錯缺陷等其他缺陷對元件特性造成的影響仍未解決。碳化矽MOSFET器件目前存在兩個主要技術難點沒有完全突破：低反型層溝道遷移率和高溫、高電場下栅氧可靠性。在碳化矽MOSFET克服以上問題後，将迎來爆發式的增長。
END
來源：功率半導體生态圈
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