幾種常見(jiàn)的溝槽結(jié)構(gòu)SiC MOSFET類型

SiC MOSFET溝槽結(jié)構(gòu)將柵極埋入基體中形成垂直溝道，盡管其工藝復(fù)雜，單元一致性比平面結(jié)構(gòu)差。但是，溝槽結(jié)構(gòu)可以增加單元密度，沒(méi)有JFET效應(yīng)，寄生電容更小，開(kāi)關(guān)速度快，開(kāi)關(guān)損耗非常低；而且，通過(guò)選取合適溝道晶面以及優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)最佳的溝道遷移率，明顯降低導(dǎo)通電阻，因此，新一代SiC MOSFET主要研究和采用這種結(jié)構(gòu)。

這種結(jié)構(gòu)柵極溝槽底部氧化層的工作電場(chǎng)強(qiáng)度高，在高的反向偏置電壓下，此處成為器件最薄弱的環(huán)節(jié)。溝槽結(jié)構(gòu)SiC MOSFET的技術(shù)演進(jìn)方向，就是采用優(yōu)化的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減小溝槽底部氧化層工作電場(chǎng)強(qiáng)度，本文列出了一些常見(jiàn)結(jié)構(gòu)。

1、Rohm的雙溝槽結(jié)構(gòu)

柵極溝槽底部氧化層外二側(cè)P-體區(qū)下移，下移P-體區(qū)和溝槽底部附近的N-區(qū)漂移層的PN結(jié)，形成耗盡層，也就是空間電荷區(qū)，降低柵極溝槽底部氧化層內(nèi)的工作電場(chǎng)強(qiáng)度，這是一種最為經(jīng)典、實(shí)用的專利結(jié)構(gòu)。

a) Rohm雙溝槽結(jié)構(gòu)

b) 電場(chǎng)分布

  Rohm雙溝槽結(jié)構(gòu)及電場(chǎng)分布

2、Infineon非對(duì)稱溝槽結(jié)構(gòu)

柵極溝槽底部氧化層外P-體區(qū)單側(cè)下移，半包裹柵極溝槽底部區(qū)域，下移P-體區(qū)和溝槽底部附近N-區(qū)漂移層的PN結(jié)，形成耗盡層、也就是空間電荷區(qū)，降低柵極溝槽底部氧化層內(nèi)的工作電場(chǎng)強(qiáng)度。

圖2  Infineon非對(duì)稱溝槽結(jié)構(gòu)

3、普渡大學(xué)Integral Oxide Protection綜合氧化保護(hù)結(jié)構(gòu)

綜合氧化保護(hù)結(jié)構(gòu)IOP改進(jìn)地方有3部分：整個(gè)柵極溝槽氧化層外，包括底部和側(cè)壁，使用低摻雜薄層N-型SiC，把柵極氧化層隔開(kāi)；柵極溝槽下部，再增加一層P+型SiC；P-體區(qū)和N-漂移層之間增加一層高摻雜N+型SiC。

圖3  普渡大學(xué)IOP溝槽結(jié)構(gòu)

器件處于反向偏置時(shí)，柵極溝槽下面新增PN結(jié)形成空間電荷區(qū)，也就是耗盡層，可以對(duì)柵極氧化層起到屏蔽電場(chǎng)作用，將柵極氧化層內(nèi)最大電場(chǎng)轉(zhuǎn)移到PN結(jié)，減小柵極氧化層內(nèi)的工作電場(chǎng)，甚至讓柵極氧化層電場(chǎng)減少到0，有效消除柵極氧化層被電場(chǎng)擊穿可能性。

柵極溝槽側(cè)壁薄層低摻雜N-型SiC，可以降低SiC-SiO 界面態(tài)對(duì)溝道電子散射作用，提高電子遷移率，降低器件導(dǎo)通電阻。器件導(dǎo)通時(shí)，P-體區(qū)和N-漂移層之間新增高摻雜N+型層，促進(jìn)溝道電子進(jìn)入漂移區(qū)后立即擴(kuò)展，進(jìn)一步降低導(dǎo)通電阻。

4、Mitsubishi溝槽結(jié)構(gòu)

采用非對(duì)稱溝槽結(jié)構(gòu)，柵極溝槽底部區(qū)域有3個(gè)結(jié)構(gòu)：底部P+電場(chǎng)限制結(jié)構(gòu)，側(cè)接地電場(chǎng)限制層（圖4中溝槽底部左側(cè)P區(qū)）、高濃度N+摻雜導(dǎo)電區(qū)（圖4中溝槽底部右側(cè)N+區(qū)）。柵極溝槽底部的P+電場(chǎng)限制結(jié)構(gòu)和N-漂移層形成PN結(jié)，PN結(jié)的耗盡層、也就是空間電荷區(qū)，將加在柵極氧化層的電場(chǎng)強(qiáng)度降低到普通平面結(jié)構(gòu)的水平，側(cè)接地電場(chǎng)限制層將電場(chǎng)限制層連接到源極，形成側(cè)接地，實(shí)現(xiàn)高速開(kāi)關(guān)。高濃度摻雜導(dǎo)電區(qū)，降低電流通路的導(dǎo)通電阻。

圖4  Mitsubishi溝槽結(jié)構(gòu)

其改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖5所示，溝槽底部區(qū)域變?yōu)?個(gè)結(jié)構(gòu)：溝槽底部的P+電場(chǎng)限制結(jié)構(gòu)和溝槽底部周圍的高濃度摻雜N+導(dǎo)電區(qū)（圖5中溝槽底部二側(cè)N+）。P+電場(chǎng)限制結(jié)構(gòu)將加在柵極溝槽氧化層的電場(chǎng)強(qiáng)度降低，高濃度摻雜N+導(dǎo)電區(qū)降低電流通路的導(dǎo)通電阻。

圖5  Mitsubishi改進(jìn)溝槽結(jié)構(gòu)

5、Fuji Electric

柵極溝槽二側(cè)的P-體區(qū)部分下移，使用高摻雜P+；柵極溝槽底部氧化層外，增加掩埋的P+浮島結(jié)構(gòu)，和N-漂移層形成PN結(jié)，PN結(jié)的耗盡層、也就是空間電荷區(qū)，降低柵極溝槽底部氧化層內(nèi)的工作電場(chǎng)強(qiáng)度。

圖6  Fuji溝槽結(jié)構(gòu)

6、日本住友/豐田

柵極溝槽二側(cè)P-體區(qū)部分下移，使用高摻雜P+，在溝槽底部氧化層外附近區(qū)域，下移P+區(qū)截面積變寬，延伸到柵極溝槽底部氧化層外附近區(qū)域，讓下移的P+區(qū)和柵極溝槽底部附近的N-漂移層形成PN結(jié)，PN結(jié)的耗盡層，降低柵極溝槽底部氧化層內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度，溝槽采用V形結(jié)構(gòu)。

圖7  日本住友/豐田溝槽結(jié)構(gòu)

7、日本Denso電裝

類似于住友的溝槽結(jié)構(gòu)，只是改為U形溝槽。

圖8  日本Denso溝槽結(jié)構(gòu)

總結(jié)：這些結(jié)構(gòu)核心就是在柵極溝槽底部或柵極溝槽底部附近區(qū)域，增加P型結(jié)構(gòu)，形成耗盡層（空間電荷區(qū)），從而，把柵極溝槽底部氧化層電場(chǎng)，部分轉(zhuǎn)移到耗盡層中，減小柵極溝槽底部的電場(chǎng)。 

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