SiC MOSFET真的有必要使用沟槽栅吗？

众所周知，“挖坑”是英飞凌的祖传手艺。在硅基产品时代，英飞凌的沟槽型IGBT（例如TRENCHSTOP系列）和沟槽型的MOSFET就独步天下。在碳化硅的时代，市面上大部分的SiC MOSFET都是平面型元胞，而英飞凌依然延续了沟槽路线。难道英飞凌除了“挖坑”，就不会干别的了吗？非也。因为SiC材料独有的特性，SiC MOSFET选择沟槽结构，和IGBT是完全不同的思路。咱们一起来捋一捋。关于IGBT使用沟槽栅的原因及特点，可以参考下面两篇文章：● 英飞凌芯片简史● 平面型与沟槽型IGBT结构浅析MOSFET全称金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)。MOSFET的简化结构如下图所示：硅片表面生长一层薄薄的氧化层，其上覆盖多晶硅形成门极，门极两侧分别是N型注入的源极和漏极。当门极上施加的电压高于阈值电压时，门极氧化层下面就形成了强反型层沟道。这时再给漏源极之间施加一个正压，电子就可以从源极经过反型层沟道，源源不断地流到漏极。电流就这样形成了。式中：
Lchannel：沟道长度，
Wchannel：沟道宽度，
COX：栅氧电容，
μn,channel：沟道电子迁移率
从上式可以看出，沟道电阻和沟道电子迁移率（μn,channel）成反比。沟道形成于SiO2界面处，因此SiO2界面质量对于沟道电子迁移率有直接的影响。通俗一点说，电子在沟道中流动，好比汽车在高速公路上行驶。路面越平整，车速就越快。如果路面全是坑，汽车就不得不减速。而不幸的是，碳化硅材料形成的SiC-SiO2界面，缺陷密度要比Si-SiO2高得多。这些缺陷在电子流过会捕获电子，电子迁移率下降，从而沟道电阻率上升。https://uploadcdntech.oneyac.com/upload/maket_res/news_res/20230104/hm0gihefgrq.png平面型器件怎么解决这个问题呢？再看一下沟道电阻的公式，可以看到有几个简单粗暴的办法：提高栅极电压Vgs，或者降低栅极氧化层厚度，或者降低阈值电压Vth。前两个办法，都会提高栅极氧化层中的电场强度，但太高的电场强度不利于器件的长期可靠性(栅氧化层的击穿电压一般是10MV/cm，但4MV/cm以上的场强就会提高器件长期潜在失效率)。如果器件的阈值电压Vth太低，在实际开关过程中，容易发生寄生导通。更严重的是，阈值电压Vth会随着温度的升高而降低，高温下的寄生导通问题会更明显。https://uploadcdntech.oneyac.com/upload/maket_res/news_res/20230104/ygu5xmplbvj.png平面型SiC MOSFET栅氧薄弱点好像进入到一个进退两难的境地了？别忘了，碳化硅是各向异性的晶体，不同的晶面，其态密度也是不同的。英飞凌就找到了一个晶面，这个晶面与垂直方向有4°的夹角，在这个晶面上生长SiO2, 得到的缺陷密度是最低的。这个晶面接近垂直于表面，于是，英飞凌祖传的”挖坑”手艺，就派上用场了。CoolSiC™ MOSFET也就诞生了。需要强调一下，不是所有的沟槽型MOSFET都是CoolSiC™! CoolSiC™是英飞凌碳化硅产品的商标。CoolSiC™ MOSFET具有下图所示非对称结构。要说给人挖坑容易，给SiC“挖坑”，可就没那么简单了。碳化硅莫氏硬度9.5，仅次于金刚石。在这么坚硬的材料上不光要挖坑，还要挖得光滑圆润。这是因为，沟槽的倒角处，是电场最容易集中的地方，CoolSiC™ 不光完美处理了倒角，还上了双保险，在沟槽一侧设置了深P阱。在器件承受反压时，深P阱可以包裹住沟槽的倒角，从而减轻电场集中的现象。
深P阱的另一个功能，是作为体二极管的阳极。通常的MOSFET体二极管阳极都是由P基区充当，深P阱的注入浓度和深度都高于P基区，可以使体二极管导通压降更低，抗浪涌能力更强。
好的，CoolSiC™ MOSFET就先介绍到这里了。CoolSiC™ MOSFET不是单纯的沟槽型MOSFET，它在独特的晶面上形成沟道，并且有非对称的深P阱结构，这使得CoolSiC™ MOSFET具有较低的导通电阻，与Si器件类似的可靠性，以及良好的体二极管特性。
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