几种常见的沟槽结构SiC MOSFET类型

SiC MOSFET沟槽结构将栅极埋入基体中形成垂直沟道，尽管其工艺复杂，单元一致性比平面结构差。但是，沟槽结构可以增加单元密度，没有JFET效应，寄生电容更小，开关速度快，开关损耗非常低；而且，通过选取合适沟道晶面以及优化设计的结构，可以实现最佳的沟道迁移率，明显降低导通电阻，因此，新一代SiC MOSFET主要研究和采用这种结构。

这种结构栅极沟槽底部氧化层的工作电场强度高，在高的反向偏置电压下，此处成为器件最薄弱的环节。沟槽结构SiC MOSFET的技术演进方向，就是采用优化的内部结构，减小沟槽底部氧化层工作电场强度，本文列出了一些常见结构。

1、Rohm的双沟槽结构

栅极沟槽底部氧化层外二侧P-体区下移，下移P-体区和沟槽底部附近的N-区漂移层的PN结，形成耗尽层，也就是空间电荷区，降低栅极沟槽底部氧化层内的工作电场强度，这是一种最为经典、实用的专利结构。

a) Rohm双沟槽结构

b) 电场分布

图1  Rohm双沟槽结构及电场分布

2、Infineon非对称沟槽结构

栅极沟槽底部氧化层外P-体区单侧下移，半包裹栅极沟槽底部区域，下移P-体区和沟槽底部附近N-区漂移层的PN结，形成耗尽层、也就是空间电荷区，降低栅极沟槽底部氧化层内的工作电场强度。

图2  Infineon非对称沟槽结构

3、普渡大学Integral Oxide Protection综合氧化保护结构

综合氧化保护结构IOP改进地方有3部分：整个栅极沟槽氧化层外，包括底部和侧壁，使用低掺杂薄层N-型SiC，把栅极氧化层隔开；栅极沟槽下部，再增加一层P+型SiC；P-体区和N-漂移层之间增加一层高掺杂N+型SiC。

图3  普渡大学IOP沟槽结构

器件处于反向偏置时，栅极沟槽下面新增PN结形成空间电荷区，也就是耗尽层，可以对栅极氧化层起到屏蔽电场作用，将栅极氧化层内最大电场转移到PN结，减小栅极氧化层内的工作电场，甚至让栅极氧化层电场减少到0，有效消除栅极氧化层被电场击穿可能性。

栅极沟槽侧壁薄层低掺杂N-型SiC，可以降低SiC-SiO 界面态对沟道电子散射作用，提高电子迁移率，降低器件导通电阻。器件导通时，P-体区和N-漂移层之间新增高掺杂N+型层，促进沟道电子进入漂移区后立即扩展，进一步降低导通电阻。

4、Mitsubishi沟槽结构

采用非对称沟槽结构，栅极沟槽底部区域有3个结构：底部P+电场限制结构，侧接地电场限制层（图4中沟槽底部左侧P区）、高浓度N+掺杂导电区（图4中沟槽底部右侧N+区）。栅极沟槽底部的P+电场限制结构和N-漂移层形成PN结，PN结的耗尽层、也就是空间电荷区，将加在栅极氧化层的电场强度降低到普通平面结构的水平，侧接地电场限制层将电场限制层连接到源极，形成侧接地，实现高速开关。高浓度掺杂导电区，降低电流通路的导通电阻。

图4  Mitsubishi沟槽结构

其改进结构如图5所示，沟槽底部区域变为2个结构：沟槽底部的P+电场限制结构和沟槽底部周围的高浓度掺杂N+导电区（图5中沟槽底部二侧N+）。P+电场限制结构将加在栅极沟槽氧化层的电场强度降低，高浓度掺杂N+导电区降低电流通路的导通电阻。

图5  Mitsubishi改进沟槽结构

5、Fuji Electric

栅极沟槽二侧的P-体区部分下移，使用高掺杂P+；栅极沟槽底部氧化层外，增加掩埋的P+浮岛结构，和N-漂移层形成PN结，PN结的耗尽层、也就是空间电荷区，降低栅极沟槽底部氧化层内的工作电场强度。

图6  Fuji沟槽结构

6、日本住友/丰田

栅极沟槽二侧P-体区部分下移，使用高掺杂P+，在沟槽底部氧化层外附近区域，下移P+区截面积变宽，延伸到栅极沟槽底部氧化层外附近区域，让下移的P+区和栅极沟槽底部附近的N-漂移层形成PN结，PN结的耗尽层，降低栅极沟槽底部氧化层内的电场强度，沟槽采用V形结构。

图7  日本住友/丰田沟槽结构

7、日本Denso电装

类似于住友的沟槽结构，只是改为U形沟槽。

图8  日本Denso沟槽结构

 

总结：这些结构核心就是在栅极沟槽底部或栅极沟槽底部附近区域，增加P型结构，形成耗尽层（空间电荷区），从而，把栅极沟槽底部氧化层电场，部分转移到耗尽层中，减小栅极沟槽底部的电场。