碳化硅的前世今生之05：器件结构的迭代

从硅MOSFET过渡到碳化硅MOSFET，其结构及性能都有了明显的变化。碳化硅这种宽带隙（WBG）器件给应用开发带来了设计挑战，因而用户也对碳化硅MOSFET平面栅和沟槽栅的选择和权衡，及其浪涌电流、短路能力、栅极可靠性等心存疑虑。

碳化硅MOSFET通常有三种结构：Cascode（共源共栅）、平面栅、沟槽栅，我们来看看它们各有哪些优缺点，以及该如何去选择。

以Cascode结构的硅MOSFET和常开型SiC JFET（结型场效应晶体管）串联连接为例，当硅MOSFET栅极为高电平时，MOSFET导通使碳化硅JFET的GS短路，从而使其导通。在硅MOSFET栅极为低电平时，其漏极电压上升直至使碳化硅JFET的GS电压达到其关断负压时器件关断。

在相同导通电阻下，Cascode结构芯片面积具有更小的优点，由于栅极开关是用硅MOSFET控制，应用中可以使用硅器件来驱动，无需单独设计驱动电路。

当然，Cascode结构只是从硅器件到碳化硅器件的一种过渡，不能充分发挥碳化硅器件的独特优势。主要是硅MOSFET限制了高温应用，另外由于开关是用硅MOSFET控制，开关频率远低于正常碳化硅MOSFET的频率，无法将无源元件尺寸减小，整体系统体积和成本也无从降低。

平面栅碳化硅MOSFET是最早出现的结构，应用最为广泛，目前主流的产品都使用平面栅结构。三菱电机碳化硅器件和封装的迭代可以说是碳化硅技术和结构发展的一个缩影。

三菱电机在上世纪90年代初开始研发碳化硅器件。2010年，其一些碳化硅器件已开始商用。2015年推出第一代平面栅器件；2018年后推出第二代平面栅6英寸产品，对于高压器件内嵌了肖特基势垒二极管（SBD），同时也在开发第三代沟槽栅器件。为此，其产品性能不断提升，损耗也不断降低，满足了更多应用领域的需求。

三菱电机的第二代碳化硅MOSFET还是使用平面栅结构，优化了通态损耗；还采用了JFET掺杂技术和薄晶圆制程。JFET掺杂技术降低了导通电阻，从而降低了器件损耗，同时还优化了器件的开关损耗。

再来看碳化硅MOSFET的沟槽栅结构，其优主要势来自于纵向沟槽，不但可以提高载流子迁移率，还可以缩小结构尺寸，从而具有比平面型MOSFET更低的比导通电阻（specific on-resistance）。

然而，由于碳化硅材料非常坚硬，想要获得均匀而光滑且垂直的刻蚀表面，工艺难度和控制要求都非常高，因此，只有少数头部厂商才能推出沟槽栅碳化硅MOSFET。

沟槽栅工艺不仅对制程实现要求非常高，在可靠性方面也存在一定的风险。首先，由于沟槽刻蚀后表面粗糙度和角度的限制会使沟槽栅的栅氧质量出现问题；其次，由于碳化硅的各向异性，沟槽侧壁的氧化层厚度和沟槽底部的氧化层厚度不一致，必须采用特殊的结构和工艺来避免沟槽底部特别是拐角部分发生击穿，这就增加了沟槽栅氧可靠性的不确定性；最后，由于沟槽MOSFET结构使沟槽栅氧的电场强度高于平面型MOSFET，所以英飞凌和罗姆采用了单边和双沟槽。

三菱电机的第三代碳化硅芯片采用了沟槽栅结构，用多离子倾斜注入技术来制作MOSFET芯片，这样就降低了栅氧场强，提升了芯片的可靠性，加上上述JFET掺杂技术降低了沟槽电阻，优化了导通电阻。其工艺的提升并没有特殊的要求，可生产性仍然和之前一样。

高压碳化硅MOSFET用以上的工艺难以达到很好的效果，所以采用了另一个思路——用内嵌SBD技术实现3300V、3500V额定电压的模块。这样做的好处是，以前的产品需要在模块中封装MOSFET和SBD，现在只用一个芯片就可以实现，芯片面积更小，可以给客户带来成本方面的效益。

除了高压碳化硅MOSFET，业界也在开发更高耐压的芯片，如双极性器件、碳化硅IGBT，而且实际样品也通过了验证，耐压已达到13kV。

尽管碳化硅MOSFET的阻断电压已能做到10kV，但作为一种缺乏电导调制的单极型器件，进一步提高阻断电压面临不可逾越的通态电阻问题，就像1000V阻断电压对硅MOSFET那样。

理论计算表明，要做一个耐压20kV的碳化硅功率MOSFET，其n型外延层厚度需要超过172μm，相应的漂移区最小比电阻会超过245mΩ·cm2。因此，高压大电流器件的希望寄托在碳化硅BJT上，特别是既能利用电导调制效应降低通态压降，又能利用MOS栅降低开关功耗、提高工作频率的碳化硅IGBT上。

IGBT即绝缘栅双极型晶体管，它结合MOSFET的高输入阻抗和双极器件的电流密度特性，是目前最高水平的功率器件。而传统的硅IGBT的最高耐压只能达到6500V，接近硅器件的极限，但在高压和大电流应用中可以使用串并联器件或多电平拓扑来增加耐压。不过，频率和工作温度仍限制了硅IGBT在高压大功率领域的应用，另外也难以满足减少器件数量、简化系统结构的要求。而碳化硅的出现将在高压、高温、高功率应用方面表现出更强的竞争力。

基于硅IGBT的优点，碳化硅IGBT同样结合了碳化硅MOSFTE和碳化硅晶体管的优点。不过，对于碳化硅IGBT的SiC/SiO2（二氧化硅）界面特性、电磁干扰和短路耐受能力等却限制了它的使用。

事实上，碳化硅IGBT的研发至少在30年左右，目前其器件工艺还有很多难点需要突破和解决。

首先是制备的挑战：n沟道碳化硅IGBT的制备需要高掺杂p型集电极作为空穴注入层。但商用p型衬底的电阻率很高，质量不是很好，限制了SiC n-IGBT的性能发挥。一些专有技术是通过在n型衬底上生长出n-和p+来作为漂移层和集电极，使n-IGBT得到进一步发展。

要保证机械强度和串联寄生电阻，作为底层的p型外延层需要足够的厚度和较高的掺杂浓度。但是在较厚的p型外延层中，掺杂浓度受薄欧姆接触的形成、生长速率、表面粗糙度和生长缺陷的限制。同时，由于碳化硅的硬度和化学惰性，使得n型衬底很难去除，也需要进一步来完善工艺。

其次是缺陷和寿命增强的问题：碳化硅晶圆的质量直接决定碳化硅IGBT器件的性能、可靠性、稳定性和良率，还间接影响制造成本。

碳化硅晶圆的缺陷主要有材料固有缺陷、外延生长引起的结构缺陷，如微管、位错、夹杂和堆积等，这和硅基制造工艺的问题差不多。

虽然通过优化生长工艺和后处理工艺可以使这些缺陷降到合理的范围之内，但对于碳化硅IGBT，上述缺陷的组合发生将大大降低载流子寿命，而高压碳化硅双极型器件需要很长的载流子寿命来降低导通压降；此外，载流子寿命也主导着导通压降和开关速度之间的平衡，所以需要通过一些特殊工艺来增强寿命。

方法包括通过C+离子注入/退火、热氧化/退火或优化生长条件来降低影响载流子寿命的缺陷密度，但是对于10kV以上的碳化硅IGBT来说，这些措施还不足以满足要求。另外，不均匀的寿命分布、不同缺陷密度如何权衡，生长后产生的目标缺陷和新缺陷之间如何权衡，这些都是阻碍碳化硅IGBT商业化的因素。因此，业界只有开发出大尺寸、高质量材料和低缺陷密度外延生长工艺，才能实现碳化硅IGBT的商用。

由于篇幅所限，先聊到这里，下一篇文章将继续接着器件结构讲讲碳化硅器件的创新封装。

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