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SiC功率MOSFET内部晶胞单元的结构

时间:2025-12-05 10:05

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导读:碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料的代表性材料,下图1展示了SiC的材料优势,相较于 Si,SiC 具有更高的禁带宽度,使 SiC 器件的工作温度可达 300℃以上(传统 Si 器件为150 ℃),适用于高温...

碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料的代表性材料,下图1展示了SiC的材料优势,相较于 Si,SiC 具有更高的禁带宽度,使 SiC 器件的工作温度可达 300℃以上(传统 Si 器件为150 ℃),适用于高温环境;此外,高禁带宽度使 SiC 的本征载流子浓度更低,从而大幅减小了器件的漏电流。SiC 具有更高的热导率,使 SiC 器件在相同散热系统下可耗散掉更高的热量,从而提升功率密度;同时 SiC 的高热导率有助于优化散热设计,从而增强器件在高功率应用中的稳定性。

SiC 的饱和电子漂移速度是 Si 的两倍,使电子在 SiC 器件中的响应速度更快,从而支持器件在更高频率下稳定工作。SiC 凭借其高临界电场和宽禁带特性,显著提升了器件阻断电压,相同芯片尺寸下,其阻断电压远超 Si 器件。同时,在相同阻断电压时,SiC 器件导通电阻更低,有效降低了静态损耗。此外,SiC 作为宽禁带材料,具有独特的工艺优势,能够通过热氧化生成二氧化硅(SiO2) 层,使得其制造工艺与硅基器件高度兼容,降低了技术升级的难度和成本,使其在电力电子器件领域得到广泛关注。

图1 SiC, Si, GaN参数对比

SiC功率MOSFET内部晶胞单元的结构,主要有二种:平面结构和沟槽结构,如下图2所示。沟槽结构MOSFET相对于传统的平面结构MOSFET有更低的导通损耗、更好的开关性能、提高晶圆密度并可避免寄生JFET效应的产生,近年来备受关注。沟槽结构SiC MOSFET最主要的问题在于,由于器件工作在高压状态,内部的工作电场强度高,尤其是沟槽底部,工作电场强度非常更高,很容易在局部超过最大的临界电场强度,从而产生局部的击穿,影响器件工作的可靠性,如下图3所示。业界为了解决以上问题,演绎出了几种改进结构,槽底屏蔽区结构、双沟槽结构、不对称屏蔽区结构、加厚栅介质结构以及两侧屏蔽区结构。

图2 沟槽结构和平面结构SiC MOSFET

图3 SiC MOSFET内部电场分布

总结来说,调节SiC性能的关键在于通过合适的间距、合适参数的屏蔽区,调节沟槽底部的电场分布以及分担栅介质电场,确保器件可靠性,同时不至于明显导通电阻。

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