Wide Bandgap Semiconductor（WBG），宽禁带半导体，典型代表包括SiC和GaN，相比Si，WBG材料具备更高的临界击穿场强和更高的热导率，材料优势使其能够实现更高耐压、更低导通电阻。

人们在1990年代投入大量资金，致力于制备直径更大、微管密度更低的SiC晶圆，1992年，Baliga等人报道，首款高压（400 V）6H-SiC肖特基整流器（SBD）问世，导通压降仅为1.1 V，且与Si PIN整流器相比，无反向恢复电流。

1994年，Baliga等人以BFOM为指标，量化了SiC器件的优势，预测相比Si器件，其可以将Ron,sp降低3个数量级，当然，那时的学者并不能预测30年后，SiC器件的沟道迁移率问题尚未得到有效解决。

1997年，Baliga等人报道，6H-SiC ACCUFET（Accumulation-mode FET，积累型MOSFET）问世，这是SiC材料制备的首款功率MOSFET。

1998年，Baliga等人报道，用4H-SiC、6H-SiC材料，分别制备ACCUFET，进行对比。这是4H-SiC材料制备的首款功率MOSFET。

这些早期的概念验证，激发了全球范围对SiC功率器件的研发，美国、日本和欧洲等地相继开展相关研究。

这要从大名鼎鼎的仙童半导体说起，1958年6月，戈登·摩尔（提出摩尔定律的那位）带领的小组，率先开发出硅基商用NPN晶体管，业界震惊，订单源源不断，仙童公司的前景一片光明。但在1958年行将结束之际，高层察觉到阴霾正在逼近——越来越多的客户投诉仙童的硅晶体管不稳定。代号“UFO”的小组成立，在摩尔的带领下，调查原因。

工程师发现，只要轻轻敲击外壳，晶体管就可能失效，解剖后发现，原来是金属壳内壁的金属屑掉落到PN结上，引发短路。初步解决方案，是改善产线洁净度，减少颗粒，但效果甚微。仅从生产的角度，很难解决这个问题。也许要从器件结构入手。

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琼·霍尼解决了这一问题，他的方案，正是今日我们早已习惯的平面晶体管（planar transistor）。左图为仙童此前采用的平顶晶体管（mesa transistor），右图为霍尼提出的平面晶体管。自上而下，依次为发射极、基极和集电极。两者的核心差异，在于半导体材料的完整性，平顶晶体管，就像一座火山，顶部窄而底部宽，类似“凸”字造型，而平面晶体管，是一块方方正正的半导体材料，表面覆盖一层二氧化硅薄膜。

平顶晶体管的全称，应为硅双扩散台面晶体管（Double-Diffused Silicon Mesa Transistor），大概工艺流程是：

1）准备一片轻掺杂N型硅片，作为晶体管的集电区（Collector）

为什么要进行台面腐蚀？

然而平顶晶体管的问题在于，发射结和集电结的侧壁裸露于空气中，容易吸附颗粒，降低器件可靠性。这是器件结构的固有缺陷，难以通过生产管控降低。

而霍尼的想法，是将这座火山彻底压扁，让顶部较窄的平台，陷入山脚。

如果从俯视视角观察，该结构是一个同心圆，从内到外，依次是发射极、基极和集电极。完成扩散后，于半导体材料表面覆盖一层SiO2薄膜，不让PN结与外界颗粒直接接触。

如此，便从器件结构的角度，彻底解决了PN结裸露带来的可靠性问题。

1959年3月，第一只平面晶体管被制造，经测试，可靠性远胜平顶晶体管，客户对此非常满意。

然而不知各位是否意识到，当年的平顶晶体管，与沟槽型功率MOSFET，是不是结构神似？后者在两侧的“空洞”中，填有栅介质和栅极材料而已。将历史发展与如今器件相映证，别有一番趣味，说回SiC planar MOSFET：

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如上，SiC Planar MOSFET基本结构，对Si VDMOS（Vertical Double-diffused MOSFET，垂直双扩散MOSFET）而言，核心工艺是——通过高温热扩散形成P-body和N+源区（双扩散），从而精确控制沟道长度。

但SiC器件无法沿用扩散工艺，原因是常用杂质在SiC材料中的扩散系数极低，换言之，欲实现类似的扩散深度，所需的温度远高于栅极材料多晶硅所能承受的温度。

解决方案，是离子注入工艺。

通过某些方式，使P-base和N+源区的注入掩膜边缘分离，以此定义沟道长度。从这里也能看到两种称呼的区别，

目前的商用SiC MOSFET产品，都是反型器件，即，Base区是P型掺杂，正向导通状态下，通过栅压的变化，促使Base区表面载流子类型反转，变成N型，以建立电流路径。

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但三十年前，业界刚开始研究SiC MOSFET时，多从积累型器件入手，即，Base区是N型轻掺杂，如上，可以看到，gate和栅氧下方区域是N-，而非P-base，N-下方有一横向延伸的P区，

通过调整N-区、P区参数，确保栅压为0时，N-区完全耗尽，以实现常关功能，栅压为正，在N-区表面形成积累型沟道（N-区中电子为多子），从而连接源漏。

为什么先研究积累型器件？

1）P区对栅氧的保护效果较差，栅氧可靠性存疑，

看第一张图，有一P+ shield区，这是SiC平面MOS的独特之处——它不能简单复制Si VDMOS的结构设计。

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这张图强调了N+欧姆接触电阻的重要性。

建立1200V SiC MOSFET模型，元胞尺寸2.8μm，沟道长度0.5μm，欧姆接触宽度1.5μm，漂移区浓度8e15 cm−3，厚度10 μm，沟道迁移率调至16 cm²/V·s，栅氧厚度50 nm，该模型下，器件BV为1650V，Vth为2.5V，350μm厚、电阻率0.02 mΩ·cm的N+衬底对总电阻的贡献为0.7 mΩ·cm²，通过改变JFET宽度，可优化器件总电阻。

三条曲线，代表三种N+接触电阻下，器件总电阻的差异，随着N+接触电阻从0.01 mΩ·cm2升至0.8 mΩ·cm2，器件的最优Ron,sp从2.8 mΩ·cm2增至7.1 mΩ·cm2，恶化明显。且，根据N+接触电阻的不同，器件最优电阻对应的最佳JFET宽度也有所差异（三个星号对应的横坐标）。

0.01 mΩ·cm2的N+接触电阻，可通过1000°C高温欧姆退火实现，而0.8 mΩ·cm2的N+接触电阻，出现在900°C欧姆退火后。

再说沟道电阻和漂移区电阻，提一个问题，SiC MOSFET导通电阻的温度系数，在不同结构设计、不同工作条件下，到底如何变化？

有两个变量，结构设计or工作条件，前者，决定沟道电阻和漂移区电阻的占比，这两部分电阻是SiC MOSFET导通电阻的主要成分，且二者的温度系数有明显区别。

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这张图，是650V SiC MOSFET、Si MOSFET以及Si IGBT归一化电阻的温度特性，以0℃到150℃为例，可以看到，Si MOSFET的电阻变化情况最明显，正温度系数最大，为什么相比Si MOSFET，SiC MOSFET的正温度系数更小？

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这张图，给出SiC Planar MOSFET总电阻、各成分电阻随BV的变化关系，星号表示2014年最先进的SiC MOSFET技术。

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先回顾平面型SiC MOSFET结构，如上，绿色的栅极（导体）被黄色的栅介质（绝缘体）包裹，位于红色or蓝色的半导体材料之上，栅极区域，半导体材料表面平整，此即平面型。

1990年代，为进一步降低导通电阻，功率半导体行业从Si平面栅功率MOSFET过渡到Si沟槽栅MOSFET。

最初，业界试图直接复制Si沟槽栅MOSFET结构，以制造沟槽型SiC MOSFET，

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器件结构如上，棕色的栅极（导体）被黄色的栅介质（绝缘体）包裹，二者位于红色or蓝色的半导体材料之间，换言之，在半导体表面，隔一段距离挖一个沟槽，向其中填充栅介质和栅极材料，此即沟槽栅结构。

当时SiC材料的离子注入工艺尚不成熟，因此采用外延工艺制备P-base和N+源区，这种结构并不适用于SiC材料，原因有二，

1、关断状态下，栅介质承受的电场强度太大，使器件提前击穿。

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第一种改进结构如上，1995年提出，在沟槽下方设置P屏蔽区，关断状态下利用P屏蔽区与N漂移区形成的PN结，分担电场，以降低栅介质承受场强。

P屏蔽区会增大导通电阻，因此在其两侧设置JFET区，高浓度N型掺杂，确保足够的电流密度。

P-base左侧的P+区用于防止P阱穿通。后来三菱等公司对这种结构有诸多研究，它的最大问题在于，槽底的P屏蔽区如何与源极短接？

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第二种改进结构如上，2011年由ROHM提出，是为DT-MOS，在源极区域和栅极区域同时刻槽，形成双沟槽结构，对源槽的侧壁及底部进行注入，形成P屏蔽区，以此保护栅介质。这张图源槽和栅槽同样深，这是ROHM第三代SiC MOSFET产品的设计：

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在第四代产品中，源槽深度远大于栅槽，以提供更优异的保护效果。亦有研究证明，如此设计可以显著提升器件的UIS能力。

文献解读——四种商用SiC MOSFET器件UIS能力对比

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第四种改进结构如上，2013年由丰田提出，特点是：将沟槽底部的栅介质做厚，以提升其抗击穿能力，同时可以降低栅漏电容，提升开关特性。

原报道证明，加厚底部栅介质对导通电阻的影响很微弱，仅增加2%，而Eox降低36%，Qgd降低38%，

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这张图，是ROHM SCT4045DEC11产品的栅槽TEM图像，右图分辨率更高，可以看到，沟槽底部的SiO2层，厚于沟槽侧壁的SiO2层，

不知道ROHM采用的工艺，是否与丰田当年开发的厚介质工艺有关？

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另一种重要结构如上，2016年的报道，来自AIST，沟槽两侧通过MeV级离子注入，形成较深的Buried P区，以保护栅介质。

这张图中，沟槽底部也设有P区，但为电流密度考虑，很多研究机构不在槽底设P区，只在两侧设计Buried P区，博世等公司对此结构做过大量研究，商用产品亦采用此路线。

（4）SiC MOSFET高频优化方案：聊完常规结构MOSFET，再将目光转向高频领域，即，SiC MOSFET在改善高频品质因数（HF-FOM）领域取得的进展。

何为HF-FOM？这参数为何重要？先解释这个逻辑。

对SiC MOSFET而言，比导通电阻Ron,sp是最常见的参数，因其可以对比不同面积芯片的过流能力，然而Ron,sp并非唯一重要的参数。

SiC MOSFET旨在替代Si IGBT，用于电机驱动逆变器、光伏发电逆变器等场景，相比Si IGBT，SiC MOSFET的一大优势在于更快的关断速度，这源自其单极型器件的固有特性，

但问题在于，SiC MOSFET的成本至少是同等额定值Si IGBT的3倍（2023年数据，2025年据说已有低于Si IGBT价格的SiC MOSFET），但这种成本劣势可以在系统层面得到缓解，原因是SiC MOSFET逆变器工作频率远高于Si IGBT逆变器，而更高的工作频率可减小滤波器等元件尺寸，进而降低系统成本，如此，SiC MOSFET器件层级的成本劣势在系统层级被抵消。

因此结论简单清晰——我们需要保持SiC MOSFET在开关特性上的优势，使其工作在更高频率下，具备更低的开关损耗。这就需要关注动态参数。

开通、关断过程中产生的能量损耗，很大一部分与漏压转换时间相关，而这时间由栅漏电容Cgd（应用层级称之为Crss）、栅漏电荷Qgd决定，减小这两个参数，对提升开关能力至关重要。

于是采用高频品质因数HF-FOM评判器件动静态整体性能，HF-FOM定义为：比导通电阻×栅漏电荷（Ron,sp×Qgd），Ron,sp代表静态功耗，Qgd代表动态功耗，HF-FOM越低，器件整体功耗越低。

接下来，介绍几种优化HF-FOM的方案，包括SG-MOS、BG-MOS和八角元胞，先说SG-MOS（Split-Gate MOSFET，分裂栅MOSFET），所谓SG-MOS，顾名思义，就是将JFET区上方的栅极多晶硅分为两部分，如此设计有何优势？

此前曾经提过，SG-MOS的一种效果，是使JFET区正上方的栅氧厚度明显增大，该结构被用于Si MOSFET，以减轻单粒子效应导致的栅氧损伤，抗辐照分裂栅SiC MOSFET制备而SG-MOS更重要的优势，是提升动态特性，即，通过减小栅漏交叠面积，降低Cgd，进而降低Qgd

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器件结构如上，BG-MOS的特点，是P+屏蔽区延伸至栅极边缘之外，屏蔽电场作用进一步增强，这当然会增大电阻，因此需要在JFET区顶部设置N+ JFET区，以确保电流密度不受明显损失。

另外，P+屏蔽区延伸至栅极之外也有助于减小Cgd，因为P+屏蔽区与源极短接，相当于减小了栅漏交叠面积。

缓冲距离XB是BG-MOS需要优化的参数，已有报道证明，1.2 kV SiC BG-MOS，XB = 0.3μm时，Qgd降低5.8倍，Ron,sp增加1.45倍，HF-FOM降低4倍。

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如上，多晶硅、N+、P-shield、P+、JFET、欧姆孔，这几块版都是八角形，相邻八角形多晶硅区域之间，通过矩形多晶硅连接条相连接（Poly-Si bar），多晶硅连接条的长度决定了欧姆接触面积和元胞尺寸，若长度太小，则接触面积太小，不利于制造，若长度太大，则元胞尺寸过大，导通电阻增加。

已有报道同时制备了条形元胞SiC MOSFET和八角元胞SiC MOSFET，对比两者特性，结论是：

1、八角元胞器件的沟道密度明显小于条形元胞器件，这使其导通电阻有一定程度增大

2、八角元胞器件的JFET密度明显小于条形元胞器件，这使其高频特性更优，换言之，相比条形元胞，八角元胞会损害静态特性，提升动态特性，具体参考这篇，八角元胞SiC MOSFET探秘通过参数优化，JFET宽度1.1μm时，相比条形元胞器件，八角元胞器件的HF-FOM可提升1.2倍。

小结

1、材料：相比Si，WBG材料具备更高的临界击穿场强和更高的热导率，材料优势使其能够实现更高耐压、更低导通电阻。

2、材料：BFOM值与EC强相关，为获得更大的BFOM值，需采用更大EC的半导体材料，而EC随着Eg（禁带宽度）的增大而增大，于是业界对宽禁带半导体材料产生兴趣。

3、器件：SiC Planar MOSFET无法沿用Si VDMOS的双扩散工艺，采用离子注入工艺形成P-base和N+源区。

4、器件：SiC MOSFET中，影响器件导通电阻温度系数的主要因素有二，结构设计or工作条件，两者均通过影响沟道电阻和漂移区电阻的占比，影响器件电阻的温度系数。在目前关心的应用范围内，沟道电阻呈现负温度系数，漂移区电阻呈现正温度系数

5、器件：对SiC MOSFET而言，随着器件耐压的增大，外延层逐渐变厚，漂移区电阻占比逐渐增大，导通电阻的温度系数随之增大。

1.7kV以下的中低压器件，欲降低电阻，设计要点在沟道、衬底，1.7kV以上的高压器件，欲降低电阻，设计要点转向漂移区。

6、器件：沟槽型SiC MOSFET的设计关键，就是通过合适位置、合适参数的屏蔽区，分担栅介质电场，确保器件可靠性，同时不至于明显影响电流密度。

7、器件：沟槽型SiC MOSFET五种经典改进结构，包括槽底设置屏蔽区结构、双沟槽结构、不对称屏蔽区结构、底部栅介质加厚结构，以及两侧屏蔽区结构。

8、器件：采用高频品质因数HF-FOM评判器件动静态整体性能，HF-FOM定义为：比导通电阻×栅漏电荷（Ron,sp×Qgd），HF-FOM越低，器件整体功耗越低。

9、器件：SG-MOS是将JFET区上方的栅极多晶硅分为两部分，通过减小栅漏交叠面积，降低Cgd，进而降低Qgd，BG-MOS的特点是P+屏蔽区延伸至栅极边缘之外，且在JFET区顶部设置N+ JFET区，八角元胞器件的沟道密度明显小于条形元胞器件，这会增大器件导通电阻，但八角元胞器件的JFET密度明显小于条形元胞器件，这使其高频特性更优。

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