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  先进的器件设计都会非常关注导通电阻，将其作为特定技术的主要基准参数。然而，工程师们必须在主要性能指标(如电阻和开关损耗)，与实际应用需考虑的其他因素(如足够的可靠性)之间找到适当的平衡。

  优秀的器件应该允许一定的设计自由度，以便在不对工艺和版图进行重大改变的情况下适应各种工况的需要。然而，关键的性能指标仍然是尽可能低的比电阻，并结合其他重要的参数。图1显示了我们认为必不可少的几个标准，或许还可以增加更多。

图1：SiC MOSFET的鲁棒性和制造稳定性(右)必须与性能参数(左)相平衡

  元件在其目标应用的工作条件下的可靠性是最重要的验收标准之一。与已有的硅(Si)器件的主要区别是：SiC元件在更强的内部电场下工作。因此，设计者应该非常谨慎地分析相关机制。硅和碳化硅器件的共同点是，元件的总电阻是由从漏极和源极的一系列电阻的串联定义的。

  这包括靠近接触孔的高掺杂区域电阻、沟道电阻、JFET(结型场效应晶体管)区域的电阻以及漂移区电阻(见图2)。请注意，在高压硅MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)中，漂移区阻显然在总电阻中占主导地位。而在碳化硅器件中，工程师可以使用具有更高电导率的漂移区，从而降低漂移区电阻的总比重。

图2：平面DMOS SiC MOSFET(左)和垂直沟槽TMOS SiC MOSFET的剖面图，以及与电阻有关的贡献的相应位置

  设计者必须考虑到，MOSFET的关键部分——碳化硅外延与栅极氧化层(二氧化硅)之间的界面，与硅相比有以下差异：

  SiC的单位面积的表面态密度比Si高，导致Si-和C-悬挂键的密度更高。靠近界面的栅极氧化层中的缺陷可能在带隙内出现，并成为电子的陷阱。

  热生长氧化物的厚度在很大程度上取决于晶面。

  与硅器件相比，SiC器件在阻断模式下的漏极诱导电场要高得多(MV而不是kV)。这就需要采取措施限制栅极氧化物中的电场，以保持氧化物在阻断阶段的可靠性。另见图3：对于TMOS(沟槽MOSFET)，薄弱点是沟槽拐角，而对于DMOS(双扩散金属氧化物半导体)，薄弱点是元胞的中心。

  与Si器件相比，SiC MOS结构在给定的电场下显示出更高的隧穿电流，因为势垒高度较低。因此，工程师必须限制界面上SiC一侧的电场。

  上面提到的界面缺陷导致了非常低的沟道迁移率。因此，沟道对总导通电阻的贡献很大。所以，SiC相对于硅，因为非常低的漂移区电阻而获得的优势，被较高的沟道电阻削弱。

  控制栅氧化层的电场强度

  一个常用的降低沟道电阻的方法，是在导通状态下增加施加在栅氧化层上的电场——或者通过更高的栅源(VGS(on))偏压进行导通，或者使用相当薄的栅极氧化层。所应用的电场超过了通常用于硅基MOSFET器件的数值(4至5MV/cm，而硅中最大为3MV/cm)。在导通状态下，处于这种高电场的栅氧化层有可能加速老化，并限制了筛选外在氧化物缺陷的能力[1]。

图3

左图：平面MOSFET(半元胞)的典型结构。它显示了与氧化物场应力有关的两个敏感区域。

右图：沟槽式MOSFET(半元胞)的典型结构。这里的关键问题是沟槽边角的氧化层应力。

  基于这些考虑，很明显，SiC中的平面MOSFET器件实际上有两个与氧化物场应力有关的敏感区域，如图3的左边部分所示。首先，在反向阻断模式下，漂移区和栅极氧化物界面存在高电场应力。其次，栅极和源极之间的重叠部分在导通状态下有应力。

  在导通状态下的高电场被认为是更危险的，因为只要保证导通时的性能，就没有器件设计措施可以减少导通状态下的电场应力。我们的总体目标是在尽量减小SiC的RDS(on)的同时，保证栅极氧化层安全可靠。

  从一开始就专注于沟槽型器件。从具有高缺陷密度的晶面转向其他更有利的晶面方向，可以在低栅氧化层场强下实现低通道电阻。

  开发了CoolSiC™ MOSFET元胞设计，以限制通态和断态时栅极氧化物中的电场(见图4)。同时，它为1200V级别提供了一个有吸引力的比导通电阻，即使在大规模生产中也能以稳定和可重复的方式实现。低导通电阻使得VGS(on)电压可以使用低至15V的偏压，同时有足够高的栅源-阈值电压，通常为4.5V。这些数值是SiC晶体管领域的基准。

  该设计的特点包括通过自对准工艺将沟道定位在一个单一的晶面。这确保了最高的沟道迁移率，并缩小了阈值电压分布范围。另一个特点是深p型与实际的MOS沟槽在中心相交，以便允许窄的p+到p+间距尺寸，从而有效地屏蔽沟槽氧化层拐角。

  应用于CoolSiC™器件的设计理念不仅提供了良好的导通电阻，而且还为大规模生产提供了可靠的制造工艺。

图4：CoolSiC™ MOSFET元胞结构剖面图