摘要：针对碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（Silicon carbide metal-oxide-semiconductor fieldeffect tran⁃sistor， SiC MOSFET）在第三象限导通下的体二极管高损耗和双极退化问题，提出了一种基于自适应浮空栅控制的双向导通沟槽型SiC MOSFET （Self-adjusted floating-gate controlled bidirectional conducting trench SiC MOSFET， SFB-MOS）。相较于传统的非对称沟槽 SiC MOSFET（ Conventional asymmetric trench SiC MOSFET， CMOS），SFB-MOS 在P 阱区嵌入自适应电位控制的浮空栅MOS 沟道作为第三象限低势垒导通路径，使得其反向导通电压降低了28.1%，抑制了体二极管开启，降低了器件双极退化风险。新结构避免了N 型漂移区的少数载流子注入，使得反向恢复电荷减少了79.7%。同时浮空栅沟道也可在第一象限与原有沟道同步开启，提供额外电流导通路径，使得SFB-MOS 的比导通电阻比C-MOS 的降低了19.3%，并且嵌入浮空栅沟道后优化了栅极结构，降低了器件寄生电容，使关断损耗降低了16%。
关键词：沟槽型SiC MOSFET；浮空栅极；第三象限导通；体二极管；比导通电阻
引 言
碳化硅（Silicon carbide， SiC）凭借其宽禁带、高临界击穿电场和优异热导率等优于硅材料的特性，已成为功率器件制造领域极具发展前景的材料［1⁃3］。碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（Siliconcarbide metal⁃oxide⁃semiconductor field⁃effect transistor， SiC MOSFET）作为开关器件， 拥有开关速度快、导通电阻低、工作温度高等显著优势， 广泛应用于混合动力与电动汽车牵引逆变器、车载充电机及高性能车型牵引逆变系统［4⁃5］。在实际应用中， 常要求开关器件具备第三象限续流能力。与传统硅基最具代表性的功率开关器件绝缘栅双极型晶体管（Insulated⁃gate bipolar transistor， IGBT）需并联外置二极管不同，SiC MOSFET 自有的体二极管可作为反向续流通路。然而，由于材料特性和工艺缺陷， SiC MOSFET 体二极管存在较高的反向导通压降（Von），这会增大开关损耗［6⁃7］。同时，当体二极管导通时， 堆垛层错（Stacking faults， SFs）可能引发双极退化现象， 影响器件长期可靠性［8⁃9］。
常规解决方案是在芯片外反并联肖特基势垒二极管（Schottky barrier diode， SBD）以抑制体二极管导通［10⁃11］， 但这种方法会增加模块尺寸并引入额外的寄生电容。为降低Von 并抑制双极退化，多种在芯片内部集成单极型二极管的新型SiC MOSFET 结构被提出。然而， 集成SBD 或结势垒肖特基（Junction barrier schottky， JBS）二极管的SiC MOSFET 在高温下存在较大的反向漏电流［12⁃15］，集成异质结二极管（Hetero⁃junction diode， HJD）的器件则可能在异质结界面引起电场问题［16⁃17］。此外还有集成MOS 沟道二极管（MOS⁃channel diode，MCD）［18⁃20］、嵌入低势垒二极管（Low⁃barrier diode，LBD）［21］等方案。但受限于二极管的单向导电特性， 这些设计可能使器件导通电阻增大。
本文提出基于自适应浮空栅控制的双向导通沟槽型SiC MOSFET（Self⁃adjusted floating⁃gate bidirectional conducting controlled trench SiC MOSFET， SFB⁃MOS）。采用Sentaurus TCAD 软件对器件性能进行仿真以及对比分析， 结果表明与传统沟槽栅SiC MOSFET 相比， SFB⁃MOS 不仅可以降低器件Von，抑制体二极管开启， 而且可以提供额外电流导通路径， 降低器件的比导通电阻（Ronsp）。此外，SFB⁃MOS 还优化了栅极结构，在高频应用领域具有优势。
1 器件结构与机理
图1（a）和1（b）分别展示了新结构SFB⁃MOS与传统结构C⁃MOS 器件元胞截面示意图。SFB⁃MOS 中原本的栅极被分为三个部分：左侧为主栅极（Gate）， 右上侧的是重掺杂N 型多晶硅构成的浮空栅极（Floating⁃gate， FG）， 右下侧与源极相连多晶硅为源极栅（Source gate， SG）。并在新结构中引入高浓度N 型补偿区（N⁃type compensation region， N⁃comp）抑制SG 与P 阱区（P⁃well）对该区域的耗尽。FG 周围的介质层采用二氧化铪（Hafniumoxide， HfO2）材料， 其介电常数远高于二氧化硅（Silicon dioxide， SiO2）的3.9，在后续分析过程中HfO2 的介电常数设为22。其余关键结构参数详见表1。
图1（c）展示了SFB⁃MOS 的等效电路。在红色虚线框内为自适应浮空栅控制的双向导通的MOS沟道的等效电路。浮空栅极电位由浮空栅极- 栅极电容（Cfg）、浮空栅极- 源极电容（Cfs）和浮空栅极- 漏极电容（Cfd）的分压共同决定。当器件工作在第一象限时，施加在栅极的正偏压会使浮空栅极感应出正电位，当FG 上电位超过阈值电压时，右侧P 基区（P⁃type base region， P⁃base）会形成反型沟道，与原有沟道同步开启，提供额外电流导通路径。当器件工作在第三象限时，源极上的正偏压同样会使FG 感应出正电位。由于FG 周围使用的是HfO2介质，即使在源极上施加小于体二极管开启的电压，也会在右侧P 基区形成反型沟道，建立起第三象限低势垒导通路径。SFB⁃MOS 中引入的SG 不仅在反向导通状态下为FG 提供正向偏置，同时屏蔽漏极电位对浮空栅的干扰，从而有效防止阻断状态下浮空栅沟道误开启。
图2（a）展示了零偏压下SFB⁃MOS 结构中N⁃comp、P⁃base 和N+ 区沿三维方向的导带能级（Ec）分布。从P 阱区向SiC/HfO2界面方向， 导带能级呈现逐渐降低的趋势， 这种能带弯曲使得电子从N⁃comp 向N+区输运时仅需跨越较低的势垒。图2（b）则呈现了沿a⁃a'切面在不同源漏电压（Vsd）下的导带能级分布。当Vsd 达到1.6 V 时， 势垒完全消失， 器件开始进入单极型导通状态。
采用Sentaurus TCAD 分析器件电学特性，并在TCAD 仿真过程中考虑了多种模型，包括肖克莱-里德-霍尔复合（Shockley⁃read⁃hall recombination）、高电场迁移率饱和效应（High⁃field saturation mobility）、能带变窄（Band narrowing）、俄歇复合（Auger recombination）以及奥库托-克劳威尔碰撞电离模型（Okuto⁃crowell impact ionization）等。
2 结果与分析
图3（a）和3（b）分别展示了SFB⁃MOS 与C⁃MOS 在栅源电压（Vgs）为0V和15V 时的第三象限与第一象限特性， 其中Itotal表示总电流， Ih 表示空穴电流。当SFB⁃MOS 工作在第三象限时， 在10A的源漏电流下， 新结构的Von 仅为2.3 V， 相比体二极管的3.2 V 显著降低。同时， 在第一象限下， 新结构也实现了更优的正向导通。
图4 展示了SFB⁃MOS 与C⁃MOS 在源漏电流（Isd）为100 A/cm2 时的空穴密度（Dh）分布情况。SFB⁃MOS 的反向电流是由电子电流形成，避免了P阱区向N 型漂移区（N⁃drift）注入空穴，从而降低了器件发生双极退化的风险。
图5展示了SFB⁃MOS 与C⁃MOS 在漏源电流（Ids）为200 A/cm2时的电子密度和耗尽层分布情况。在SFB⁃MOS 的Vgs为15 V 时，栅极沟槽右侧的P基区形成了额外的反型层电子通道。由图3（b）曲线斜率倒数计算，与C⁃MOS 相比，SFB⁃MOS 的Ronsp降低了19.3%。
图6（a）展示了浮空栅极左侧二氧化铪的厚度（thk⁃l）对SFB⁃MOS 的Ronsp、Von 和击穿电压（BV）的影响。浮空栅极的电位由Cfd、CfS 和Cfg 之间的电容分压所决定。随着thk⁃l 值的增加，Cfg 增大，当器件工作在第一象限时，Cfg的压降相应减小。此变化引起FG 电位的升高，进而增强沟道的反型程度，使得器件的Ronsp 降低。当器件工作在第三象限时，Cfs 的电压降增大，导致FG 的电位降低，从而使得SFB⁃MOS 的Von相应增大。
图6（b）展示了浮空栅极超出P 型基区的长度（Δtfg）对SFB⁃MOS 的Ronsp、Von 和BV 的影响。随着Δtfg 的增加，Cfg 同样随之增加。在正向导通状态，FG 电位因此逐渐升高，使得Ronsp 减小。相反，在反向导通状态，FG 电位逐渐降低，进而导致Von 增大。综合考虑Ronsp、Von 和BV，thk⁃l 和Δtfg 的取值分别设定为50nm 和0.25μm。
图7 展示了SFB⁃MOS 和C⁃MOS 的阻断特性及击穿时的电场分布。得益于SG 的屏蔽作用，嵌入自适应浮空栅控制的双向导通MOS 沟道对器件阻断性能影响很小，两种结构的击穿电压十分接近。对于SFB⁃MOS 和C⁃MOS，靠近沟槽底部的栅极氧化物中的峰值电场分别为1.86 和1.69 MV/cm， 低于3 MV/cm， 这有利于栅极氧化层的长期可靠性［22］。
图8 对比了SFB⁃MOS 和C⁃MOS 的器件电容值。在漏源电压（Vds）为800 V 时提取的栅漏电容（Cgd）分别为26.9 和27.2 pF/cm2。由于栅极与N 型漂流区的重叠面积变化不大，因此Cgd的差异相对较小。与C⁃MOS 相比，SFB⁃MOS 中栅极右侧的栅源电容（Cgs）由Cfs和Cfg串联组成，因此Cgs显著减小，而漏源电容（Cds）变化较小。
图9 对比了SFB⁃MOS 和C⁃MOS 的栅电荷（Qg）特性。Vgs=15V 时提取的SFB⁃MOS的Qg为919.64nC/cm2，相较C⁃MOS的值（Qg=1108.1 nC/cm2）低16.9%。米勒平台提取栅漏电荷（Qgd）几乎没有变化。
图10（a）展示了器件的反向恢复特性。图10（b）为双脉冲测试电路。SFB⁃MOS 反向导通时，N型漂流区不存在少数载流子注入，因此其反向恢复电荷（Qrr）仅为1.09 μC/cm2 （图中阴影面积积分），与C⁃MOS（ 5.38 μC/cm2）相比减少了79.7%。
图11 对比了SFB⁃MOS 和C⁃MOS 的开关特性， 图12 则给出了这两种器件的开关损耗对比。因为SFB⁃MOS 在开通过程中反向恢复电荷较少，所以SFB⁃MOS 的开通损耗（Eon）仅3.86 mJ/cm2，与C⁃MOS 的（9.92 mJ/cm2）相比降低了61.1%。并且， SFB⁃MOS 的Cgs较小， 其关断损耗（Eoff）降低至0.63 mJ/cm2， 与C⁃MOS 相比降低了16.0%。
图13 展示了SFB⁃MOS 制造工艺流程。该工艺流程大部分步骤与C⁃MOS 的制造工艺兼容。此外， 在SFB⁃MOS 的制造过程中采用原子层沉积（Atomic layer deposition， ALD）技术可生长出均匀且质量可靠的HfO2［23］， 器件栅极、源极栅以及浮空栅极区域可通过多次沟槽刻蚀工艺形成［24］。
表2 统计了SFB⁃MOS 和C⁃MOS 的主要特性对比。由于在SiC MOSFET 内嵌入了自适应浮空栅控制的双向导通MOS 沟道， SFB⁃MOS 展现出了更为突出的性能。
3 结 论
本文提出了一种基于自适应浮空栅控制的双向导通沟槽型SiC MOSFET，并通过SentaurusTCAD 进行了仿真分析。SFB⁃MOS 在P 阱区嵌入自适应电位控制的浮空栅MOS 沟道，其不仅作为第三象限低势垒导通路径，而且也可在第一象限与原有沟道同步开启提供额外电流导通路径，这使得SFB⁃MOS 的Von 和Ronsp 分别比C⁃MOS 降低了28.1% 和19.3%，SFB⁃MOS 的高频品质因数Ronsp×Qgd 和Ronsp×Cgd 分别降低了19.3% 和20.1%。并且嵌入浮空沟道也优化了栅极结构，器件的Eoff 从0.75 mJ/cm²降至0.63 mJ/cm²。上述优势表明，所提出的SFB⁃MOS 在提升电力电子应用系统性能与可靠性方面具有重要潜力。
**为方便大家沟通，碳化硅 MOS 技术交流群已建，诚邀业内同仁、技术爱好者入群，共探前沿技术，交流实战经验，携手推动行业发展！
同时也欢迎添加作者个人微信交流合作：
国产碳化硅 就找明古微——感谢深圳市明古微半导体有限公司长期对本公众号的赞助与支持，深圳市明古微半导体有限公司作为爱仕特科技碳化硅MOS、中科本原DSP、乐山希尔整流桥堆及FRD等的核心代理商，与其深度合作并联合开发功率模块及电动主驱、工业能源等解决方案，助力工业电源、电力电子、SST、光伏储能、新能源汽车、充电桩等产业发展，更多信息请登录：www.mgmsemi.com
免责声明：1）来源：本公众号文章及图片均来自公开网络，旨在分享，不代表本号观点或对真实性负责。2）版权：若转载内容涉及版权，请原作者联系我们，将及时删除。3）责任：用户使用文章内容时需自行判断，因内容引发的所有损失，本号不承担法律责任。4）解释：本声明的最终解释权归本公众号所有，未尽事宜以法律法规为准。
