作者：孫培元1，孫立杰1，薛哲1，佘曉亮1，韓若麟1，吳宇薇1，王來利1，張峰2

單位：?1.?西安交通大學電氣工程學院；2. 廈門大學物理科學與技術學院

摘要：碳化硅（SiC）金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）作為寬禁帶半導體單極型功率器件，具有頻率高、耐壓高、效率高等優勢，在高壓應用領域需求廣泛，具有巨大的研究價值。回顧了高壓SiC MOSFET器件的發展歷程和前沿技術進展，總結了進一步提高器件品質因數的元胞優化結構，介紹了針對高壓器件的幾種終端結構及其發展現狀，對高壓SiC MOSFET器件存在的瓶頸和挑戰進行了討論。

01

引? 言

電力電子變換已經逐步進入高壓、特高壓領域，高壓功率器件是制約變換器體積、功耗和效率的決定性因素。特高壓交直流輸電、新能源并網、電動汽車等領域都對高電壓等級功率器件有著更高的要求和需求。目前，硅（Si）材料器件發展成熟、使用廣泛、性能可靠，然而其較小的禁帶寬度、擊穿電場和熱導率等特性大大制約了其在高功率、高電壓和高頻率下的應用。SiC作為寬禁帶半導體之一，在人們的探索和研究中逐漸走進了功率器件的舞臺，并憑借其比Si材料更高的禁帶寬度、擊穿場強和熱導率等優良特性，打破了Si材料的極限，在高電壓等級和大功率電能變換應用中體現出了較低的功率損耗、更高的開關頻率等優越性能，具有極大的潛力。

在諸多開關器件中，高壓SiCMOSFET器件是一種具有輸入阻抗高、工作頻率高、無拖尾電流等特點的單極型功率器件，相較于其他單/雙極型開關器件具有以下優越性：其開關損耗低，易于提高功率模塊整體效率；開關頻率高，降低了電容電感體積，利于電力電子變換器的整體小型化；工作環境溫度理論上可達600?℃，遠超Si基器件，利于在高溫環境下的應用。隨著SiC晶圓制造技術和柵氧工藝的日益成熟，已有不少國內外廠家正在或已經實現了1.2 kV等級器件的商品化。目前，高壓SiC MOSFET的單管擊穿電壓已經達到15 kV。

高壓SiC MOSFET的結構和技術存在著幾個重要瓶頸：1）器件漂移區的導通電阻隨電壓等級相應增加，其他結構（溝道、JFET區等）的存在進一步提高了總導通電阻；2）電壓等級要求高，而終端保護技術的保護效率和終端面積之間存在矛盾；3）器件可靠性問題存在，工藝技術和結構設計嚴重影響器件的長期工作。這些問題嚴重限制了高壓SiC MOSFET器件的進一步發展和推廣應用，因此目前已有諸多學者針對上述問題開展了研究。本文首先回顧了高壓SiC MOSFET的發展歷程和國內外研究進展，隨后從器件特性的權衡關系出發，在高壓SiC MOSFET的改進結構和終端保護技術等方面對國內外研究現狀進行分析和總結，同時對該器件目前存在的瓶頸和挑戰進行了討論。

02

高壓SiC MOSFET發展歷程與研究現狀

2.1 SiC材料的優越性

目前已知的SiC材料有250多種晶體結構，其中4H-SiC晶型具有更高的遷移率，因此SiC功率器件主要基于4H-SiC材料。Si、4H-SiC 2種半導體材料的主要特性如圖1所示，其中Si的帶隙寬度為1.12 eV、熱導率為1.5 W/(cm·℃)、擊穿場強Ec為2.5×105?V/cm，而4H-SiC的帶隙寬度為3.26 eV、熱導率為4.9 W/(cm·℃)、Ec可達2.5×106?V/cm。4H-SiC功率器件有著10倍于Si功率器件的擊穿場強，這意味著在同等電壓等級下4H-SiC功率器件的尺寸遠小于Si功率器件，這將進一步提升器件的功率密度，改善器件的散熱等特性，使其可以在更大電流和更高頻率下工作。從比導通電阻RON,sp和擊穿電壓VB的關系可以進一步說明4H-SiC材料的先進性，二者都是衡量單極型高壓功率器件的核心參數，在穿通結構下存在理論極限關系：RON,sp=(3/2)3VB2/εsμnEc3，其中εs和μn分別為半導體材料的介電常數和電子遷移率，從圖1(b)可以進一步看出，4H-SiC功率器件與Si相比具有更高耐壓、更低損耗的優良特點。

（a）Si和4H-SiC材料的主要特性

（b）Si和4H-SiC材料的擊穿電壓與比導通電阻的關系

圖1?Si和4H-SiC材料的特性與功率器件指標對比

2.2 SiC MOSFET器件的發展歷程

功率SiCMOSFET主要有2種技術路線，根據柵極工藝分為平面型MOSFET（VDMOS）和溝槽型MOSFET（TMOS），兩種器件的元胞結構如圖2所示。多數產品均采用SiC VDMOS結構，其工藝簡單、阻斷能力強，然而導通電阻較大；SiC TMOS是目前的研究熱點，其溝道遷移率高，但工藝較為復雜，受柵氧可靠性影響導致阻斷能力較差。

（a）VDMOS

（b）TMOS

圖2? 兩種高壓SiC MOSFET的元胞結構

自20世紀80年代第一款3C-SiC襯底上的橫向MOSFET和1994年首個功率SiCMOSFET研制成功以來，各大公司和研究機構都如火如荼地進行著SiC功率器件的開發。2001年，Infineon公司推出了首款商用SiC二極管器件。2010年，Cree公司和Rohm公司相繼推出了SiC VDMOS產品。2011年起，各公司開始逐步推出商用SiC功率器件。Rohm公司于2012年提出并使用雙溝槽結構SiC TMOS；Infineon公司于2017年推出了CoolSiCTM產品；Cree公司專注于平面型并已推出第三代1.2 kV/160 A的SiC VDMOS。主要廠商的SiC MOSFET商業產品性能參數如表1所示。3.3 kV及以下等級的功率SiC MOSFET已經邁入產業化階段，越來越多的研究也偏向溝槽、雙溝槽（DT）結構；然而對于3.3 kV以上、特別是1 0kV及以上的超高壓等級SiC MOSFET，只能使用平面型結構以避免溝槽底部的柵氧可靠性問題。

表1 主要廠商的SiC MOSFET商業產品性能參數

國際上對高壓SiC MOSFET的研究起步較早，多家公司及科研機構均同步跟進該領域前沿方向。第一款性能較為完善的10 kV等級超高壓SiC VDMOS是由美國Cree公司RYU等人于2006提出和研制的，其擊穿電壓為10 kV，電流等級為5 A，室溫下測得比導通電阻為111 mΩ·cm2，使用了由65個浮空場限環（FLR）組成、總長度為550μm的終端結構。2012年，日本AIST研究所在DT結構的基礎上進行溝槽底部P+區注入并實現了3.3 kV/7.0 mΩ·cm2等級的高壓SiC TMOS。2014年，Cree公司的ALLEN等人提出了SiC VDMOS電壓等級從900 V到15 kV的提升流程，并進一步縮減裸片尺寸、增強器件性能。2015年，日本住友電工分別通過靠近溝槽底部深P+注入和終端結構注入劑量優化，研制了1.7 kV/3.5 mΩ·cm2等級的高壓SiC TMOS和3.3kV/14.2 mΩ·cm2等級的高壓SiC VDMOS。2015年，Cree公司首次展示了全新一代10kV等級的超高壓SiC VDMOS器件的全部特性，其導通電阻從以往的160 mΩ·cm2改進到100 mΩ·cm2。2017年，Cree旗下的Wolf speed部門提出了新一代6.5 kV/30 A、導通電阻小于90 mΩ的高壓SiC VDMOS；同年，三菱電機公司研制出6.5 kV/50 A等級的高壓SiC VDMOS，并將肖特基勢壘二極管（SBD）嵌入元胞結構中，還于次年進一步研究了不同終端結構對阻斷特性保護的穩健性。2020年，ABB公司同樣提出了具有寬反向偏壓安全工作區域和大浪涌電流能力的6.5 kV/8 A的高壓SiC VDMOS。同年，Rohm公司發布了第四代雙溝槽SiC TMOS，在不犧牲短路耐受時間的條件下降低了比導通電阻和寄生電容。

與國際相比，我國高壓SiC MOSFET領域雖然起步較晚、目前大多停留在科研階段，但研究已經逐漸成熟，與國外的差距正在逐步減小。中國電科集團第五十五所建立了高壓SiC MOSFET研發部門并成功研發了1.2 kV/50 A、3.3 kV/30 A、6.5 kV/25 A和10 kV/15 A等級的高壓SiC VDMOS；株洲中車時代電氣股份有限公司、深圳基本半導體有限公司、華潤微電子有限公司等也相繼推出了1.2 kV等級系列高壓SiC VDMOS；電子科技大學的鄧小川等人設計了一種多區步進間距FLR新結構，并據此生產了13.6 kV等級超高壓SiC VDMOS，電流等級為10 A；浙江大學也研制出1.2 kV等級的高壓SiC VDMOS。

2.3?靜態特性優化現狀

巴利加品質因數（BFOM）FB是描述高壓SiCMOSFET靜態特性的核心指標，關系式為FB=VB2/RON,sp，它反映了擊穿電壓與比導通電阻之間的矛盾關系和導通特性的優劣程度。對器件元胞結構的主要參數進行優化，可以在維持電壓等級不變的條件下降低比導通電阻，從而提升BFOM，然而由于溝道擊穿、柵氧可靠性等問題和襯底、電極金屬的存在，比導通電阻無法達到理論值。要想進一步提高BFOM，需要對器件的元胞結構進行改進，通過引入外加電荷等手段進一步降低導通電阻。目前主要有2種改進結構，分別是JFET區摻雜結構和超結（SJ）結構，進一步提高SiC VDMOS和SiC TMOS品質因數的元胞結構分別如圖3、4所示。

（a）JFET區摻雜

（b）SJ

（c）中心注入

（d）分裂柵

圖3? 進一步提高SiC VDMOS品質因數的元胞結構

（a）電流擴展層

（b）SJ

（c）DT

（d）屏蔽柵

圖4? 進一步提高SiC TMOS品質因數的元胞結構

2.3.1 JFET區摻雜結構

從導通電阻的角度考慮，以VDMOS結構為例，當器件正向導通時，電流先從溝道水平通過，隨后從狹窄的JFET區以梯形的形狀流入漂移區，降低器件的正向導通能力。TMOS雖然沒有JFET區，但也存在電流流向漂移區時路徑較窄的問題。如何降低JFET區及其周圍電子流通路徑的電阻率，并拓寬電子在JFET區的流動范圍以降低導通電阻，是JFET區摻雜結構設計的核心目標。

JFET區摻雜主要存在2種實現方式：1）JFET區注入，即在P-well區頸部進行大于外延層濃度的N型摻雜以降低電阻率，該方式只適用于平面型；2）電流擴展層（CSL），即在P-well注入之前進行一定深度的大于外延層濃度的N型摻雜，實現增大電流路徑、減小導通電阻的效果，但是柵氧可靠性會受到一定程度的影響，該方式在高壓SiC VDMOS和SiC TMOS中都已經得到了廣泛的使用，特別是在SiC TMOS中可以與溝槽底部P+屏蔽層（PS）配合使用以同時實現降低導通電阻和保護柵氧的作用。

2.3.2?超結結構

SJ結構的出現打破了傳統Si基器件比導通電阻與擊穿電壓之間的RON,sp∝VB2.5極限關系，使得相同電壓等級下RON,sp大幅降低，被譽為功率MOSFET器件自發明以來的一個重要里程碑。SJ-MOSFET通過在漂移區引入異型摻雜，將以往的電阻性耐壓層轉變為N/P柱交替排列形成的結型耐壓層，使得N柱和P柱之間形成橫向耗盡，提高擊穿電壓。在正向導通時，電子從N型摻雜區通過，因此可以提高N型摻雜濃度，使之在維持擊穿電壓的情況下進一步降低比導通電阻。陳星弼院士于1991年首次提出縱向功率器件的SJ結構并申請專利，該結構在當時被稱為復合緩沖層。1998年開始，Infineon公司推出了CoolMOSTM產品，其他公司也相繼研制并生產了Si基SJ器件，SJ技術開始廣泛運用于Si基功率器件中。Si基SJ器件的成功讓研究人員轉向SiC SJ器件的研發當中。

目前SiC SJ器件主要有2種技術路線：1）多次外延加離子注入（ME），即在多次外延形成N柱的同時多次離子注入形成P柱，此路線工藝方式復雜，但可以形成質量較高的結構，界面態密度和晶格缺陷較少，不過外延厚度的增加將導致成本無法控制；2）深槽刻蝕加外延回填（TFE），該路線由日本AIST研究所提出，成本較低，然而深槽角度和P柱深度需要進行優化設計。

日本AIST研究所專注于SiC SJ器件的研究和制備。該研究所于2013和2014年分別通過ME和TFE的技術路線研制出SiC SJ器件，并借助TCAD仿真研究了ME工藝下不同擊穿電壓器件的特性預測和TFE工藝下回填外延區摻雜濃度對擊穿電壓的敏感性。結果表明，ME工藝下3.3 kV等級器件的漂移區電阻為1.51 mΩ·cm2，是4H-SiC理論極限的五分之一；兩次TFE與單次TFE相比，回填外延區摻雜濃度的設計窗口更寬。2022年，該研究所對3種工藝下1.2 kV等級SiC SJ-TMOS器件的靜、動態特性進行了對比和分析。從圖5（a）所示的比導通電阻隨溫度的變化趨勢可以看到，2種SJ工藝都可以降低器件溫度系數并且TFE工藝的器件溫度系數更小；在結溫Tj為175?℃、柵極驅動電阻Rg為75 Ω的條件下，從圖5（b）所示的開通損耗Eon、關斷損耗Eoff和體二極管反向恢復損耗Err的情況可以看到，3種工藝下器件的動態特性基本一致，因此在相同特性下成本更低的TFE技術更具優勢；圖5（c）顯示了TFE工藝下器件的體二極管開啟電壓偏移ΔVf更大，雙極退化更為嚴重，這是載流子壽命在制造過程中沒有減少和外延/襯底界面空穴濃度高導致的，因此如何在控制成本的基礎上提高器件特性還有待進一步研究。

（a）閾值電壓和比導通電阻

（b）開關損耗和反向恢復損耗

（c）體二極管開啟電壓偏移

圖5?傳統SiC TMOS與2種SJ工藝研制的SiC SJ-TMOS靜、動態特性對比

除了上述兩種工藝之外，浙江大學于2018年首次使用溝槽側壁傾斜離子注入技術研制了1.35 kV/0.92 mΩ·cm2等級的SiC SBD，為SiC SJ-TMOS的研究提供了新的發展方向。

SJ技術在高壓SiC MOSFET器件整體應用中較少，還有著極大的發展空間。該結構可以提高SiC TMOS的電壓等級。TMOS電壓等級受限于柵氧角落處的尖峰電場問題，而如果采用SJ結構，漂移區N型摻雜濃度的提高可以有效降低RON,sp，同時P柱可以有效保護柵氧底部，如張躍等人設計了一種由上下摻雜濃度不同的P柱形成的SiC SJ-TMOS功率器件，仿真結果表明在擊穿電壓1 kV下可得到0.88 mΩ·cm2的比導通電阻。SJ結構也可以與SBD同時嵌入MOSFET元胞中，以同時改善器件比導通電阻和反向恢復特性。日本AIST研究院已研制出目前電壓等級最高的SiCSJ-VDMOS器件，擊穿電壓達到7.8 kV，離15 kV的超高壓等級還有一段距離，值得進一步設計和研發。

SiC SJ器件的終端結構較傳統SiC MOSFET器件來說設計復雜度更高：一方面，終端結構同樣需要考慮電荷平衡問題，以保證效率；另一方面，由于工藝的繁瑣，終端結構的工藝技術應該盡量與元胞保持一致，以降低工藝復雜度，即如果元胞使用的是ME工藝，則終端也需使用同樣的工藝形成N/P柱的交替結構。該領域目前國際上已有相關研究，如MASUDA等人將ME工藝和結終端擴展（JTE）技術結合起來，設計和研制了針對1.2 kV等級SiC SJ-TMOS的一種新型終端結構，然而研究成果總體較少，有待進一步深入研究。

國內外針對2種結構器件BFOM優化的研究成果如表2所示，其中JFET區注入技術常常與CSL技術合并，因此不在表中列出。

表2?提高器件靜態特性新技術部分研究結果總結

2.4?動態特性優化現狀

高頻品質因數（HF-FOM）是高壓SiC MOSFET另一個主要性能指標，它一般是RON,sp和比柵漏電荷QGD,sp的乘積，反映了器件動態特性的優劣程度，其中影響柵漏電荷的主要因素是轉移電容的大小。

對于高壓SiC VDMOS來說，目前有幾種技術和結構可以改善器件的HF-FOM：1）中心注入技術（CI），如圖3（c）所示，即在柵氧下方注入一個P型摻雜區，該技術可以同時實現增強動態特性和減小柵氧電場的效果，只適用于平面型結構，以Cree公司的CIMOSFET產品為代表，該技術與CSL技術同時使用可以在兼顧動態性能的基礎上進一步降低JFET區導通電阻；2）分裂柵（SP）結構，如圖3（d）所示，即只保留溝道上方的柵極多晶硅而去掉JFET區上方的部分，如YOON等人將SP應用于3.3 kV等級器件并進行了仿真驗證；YU等人在SP的基礎上給源極加上場板結構，在降低柵極邊緣電場強度的同時將HF-FOM減小了40%；LYNCH等人研制了15 kV等級SP結構器件，柵漏電荷較傳統平面型降低了70%。除此之外，AGARWAL等人通過理論驗證了將柵氧厚度從55 nm降低到27 nm后器件靜、動態特性的提升。

對于SiC TMOS來說，DT結構和屏蔽柵（SG）結構可以有效改善動態特性。1）DT結構以Rohm公司的雙溝槽SiC TMOS產品為代表，如圖4（c）所示，它通過源極溝槽保護柵氧，實現了1.26 kV/1.41 mΩ·cm2的優越特性。YANG等人在DT的基礎上引入了深PS結構，較改進前柵漏電荷降低了89%；YANG等人提出了一種深氧化物溝槽代替源極溝槽的結構，在改善靜態特性的情況下降低了開關損耗。2）SG結構首先在Si基器件中提出，隨后在SiC TMOS中得到了改進，如圖4（d）所示，它通過橫向耗盡漂移區和減少柵漏之間有效重疊面積同時降低導通電阻和轉移電容，大幅提升動態特性。JIANG等人按是否有SG、PS和CSL將SiC TMOS分為6種結構，并進行了靜、動態特性仿真對比，如圖6所示。結果顯示，SG結構可以降低柵電荷，但是SG與PS結構對導通特性影響嚴重，而通過CSL的引入，可以在降低RON,sp的基礎上進一步降低QGD,sp，顯著提高器件的HF-FOM。

（a）輸出特性

（b）柵電荷特性

圖6? 1.2 kV等級SiC TMOS不同柵極結構下器件特性對比

表3展示了2種元胞結構HF-FOM優化的部分研究結果。表3中只有文獻[29]和[34]為實際流片測試結果，可以看出仿真結果較實際器件特性還有一定距離，因此如何更準確地預測和描述實際器件的動、靜態特性并在此基礎上進一步改進器件的高頻工作性能，還需進一步研究和實踐。

表3?提高器件動態特性新技術部分研究結果

2.5?終端研究現狀

器件在阻斷狀態下，主結的邊緣處曲率較小，容易產生電場集中的現象，導致器件的阻斷性能嚴重退化，擊穿電壓大大降低。特別是4H-SiC材料，其擴散系數較Si來說更小，對于MOSFET和IGBT等淺結器件來說，曲率效應更為嚴重。因此高壓SiC MOSFET的邊緣終端需要進行保護。目前存在的幾種高壓器件邊緣終端主要保護技術如圖7所示。

（a）場板技術

（b）斜角技術

（c）FLR技術

（d）JTE技術

圖7??高壓器件邊緣終端主要保護技術

場板技術和斜角技術在Si基器件中較為成熟，然而其耐壓等級較低，不適用于高壓SiC器件。FLR技術和JTE技術被認為更加適用于高壓SiC MOSFET器件。

2.5.1 FLR技術

FLR技術也被稱作浮空場環技術，即注入多個P型場環，緩解主結邊緣的電場集中問題，以改善器件的阻斷特性。在實際制造過程中，FLR往往和主結同時注入，不需要額外的工藝步驟，技術簡單且成本較低，在SiC功率器件中已經得到了廣泛的使用。已有相關研究推導了FLR結構的理論公式，然而對于高電壓等級特別是10 kV及以上等級的SiC MOSFET來說，往往需要上百個場環，理論分析基本無法指導結構設計，而且受限于工藝條件，環間距無法做到與計算值一樣精確。這就需要根據相關參數進行FLR結構設計和實驗驗證。

FLR結構主要由環寬和環間距決定，根據二者的設計產生了多種結構，其中最經典的便是等環寬、等間距結構（Con-FLR），除此之外還有固定環寬、改變間距的結構，如路曉飛等人提出的間距呈指數變化的FLR結構、間距呈線形變化的FLR結構、鄧小川等人提出的多區步進間距FLR結構等，以及環寬與間距協調配合的結構等。

FLR技術的問題在于終端面積較大，這可以通過與其他技術相結合的方法進行優化，例如WEN等人針對10 kV等級器件，提出了一種刻蝕和FLR相結合的刻蝕均勻FLR（EU-FLR）結構，阻斷能力達到14.2 kV并且終端長度大幅降低。

2.5.2 JTE技術

簡單來說，JTE技術就是在主結旁邊額外注入一段長度的P型摻雜，為主結分壓以減小曲率效應。該技術由KALER在1977年首次提出，其在高壓Si基器件上的有效性得到驗證后，JTE技術便被業界廣泛關注，多種改良型JTE結構也相繼提出。隨著SiC材料的研究和應用，功率器件的耐壓等級已經超過10 kV，特別是超高壓SiC PiN器件，目前國際上已經達到將近30 kV的水平，針對高壓SiC器件的JTE技術被相繼提出，從臺面單區JTE到多區JTE，再到空間調制JTE，在JTE技術的保護下功率器件越來越逼近雪崩擊穿的理論擊穿電壓，并且其終端區域的利用效率也不斷提高，如2018年NAKAYAMA等人利用空間調制JTE技術研發出27.5 kV等級4H-SiC PiN功率二極管。

JTE技術的核心問題在于終端保護效率對于摻雜劑量的敏感度較高，加上4H-SiC中雜質存在不完全電離的情況，即使精準控制注入劑量也會導致實際激活的劑量不受控制，因此大部分JTE改進結構都在朝著擴大摻雜劑量窗口的方向進行探索。對10kV等級器件進行終端保護仿真，分別設計單區、雙區和三區JTE結構，得到的擊穿電壓與摻雜劑量之間的關系如圖8所示。仿真中元胞擊穿電壓值為14.4 kV，可以看到單區JTE的劑量窗口不足0.3×1013?cm-2，雙區結構下敏感性得到了明顯改善，劑量窗口達到0.8×1013?cm-2，到三區結構下劑量窗口超過1.5×1013?cm-2，證明了多區JTE結構可以有效改善劑量窗口問題。

圖8??單區、雙區和三區JTE結構保護下器件擊穿電壓與摻雜劑量之間的關系

單純地增加區域數將增加工藝流程中的離子注入步驟，大大提高成本。目前JTE技術趨向于使用固定的2種或多種摻雜劑量，通過調制摻雜區域的形狀和寬度來形成多個不同等效電離電荷濃度的區域。KAJI等人首次結合空間調制技術和雙區JTE技術在外延層厚度為268 μm、摻雜濃度為1×1015?cm-3的條件下實現了26.9 kV的擊穿電壓，保護效率達到70%，劑量窗口大于1.5×1013?cm-2。在此基礎上，改進JTE結構的保護效率越來越高，終端長度也有所改善，如WEN等人于2020年研制和生產了使用在13.5 kV等級4H-SiC PiN二極管器件中的一種被稱為電荷場調制JTE（CFM-JTE）的結構，在400 μm的終端長度下實現了96%的終端保護效率和大于傳統雙區JTE結構1.8倍的劑量窗口。

將JTE技術與其他技術進行結合，可以在相同終端面積下進一步提高保護效率，如DAI等人于2021年提出的刻蝕溝輔助空間調制JTE（TSM-JTE）結構；ZHOU等人提出了一種結合刻蝕與單區JTE的超小角度斜角刻蝕JTE結構（ULA-BE-JTE），實現了超過90%的保護效率。另外，對JTE技術的仿真工作已經使器件的擊穿電壓達到了30 kV以上的等級，如JOHANNESSON等人在TCAD仿真上用1800 μm的單側JTE區加27個外側保護環實現了41.4 kV的擊穿電壓。

03

高壓SiC MOSFET的瓶頸與挑戰

當下，高壓SiC MOSFET還存在一些瓶頸和挑戰，這里對4個主要問題進行討論。

3.1?雙極退化效應

高壓SiC MOSFET器件存在體二極管結構，理論上可以取代外接反并聯二極管并降低電路寄生電感與損耗。然而在雙極性運行條件下，體二極管的導通會帶來雙極退化效應，影響器件的導通電阻、漏電流和體二極管導通壓降等特性，不利于器件的長期工作。

從應用角度，人們普遍使用同步整流技術以盡量避免體二極管的開通；從器件結構設計角度，近年來針對該問題出現了一些致力于將SBD或結勢壘肖特基二極管嵌入MOSFET元胞結構當中的研究，如DENG等人提出了一種低勢壘二極管集成新結構，在1.2 kV等級器件中獲得了較體二極管低約67%的開啟電壓；LI等人提出了一種在雙溝槽SiC MOSFET中加入全耗盡P-well區以降低勢壘并抑制雙極退化效應的新結構。然而嵌入的方式將會導致器件特性和可靠性的改變，KONO等人研究了1.2 kV等級SBD嵌入式器件的比導通電阻與短路耐受能力之間的權衡關系。如何有效解決該問題還需進一步深入研究。

3.2?低電流等級問題

高壓SiC MOSFET由于其單極工作模式，高擊穿電壓將嚴重限制器件的導通電流能力。例如對于10 kV等級器件來說，室溫下其電流等級約為20~40 A/cm2，當溫度增加到200℃以上時，額定電流將下降50%~70%。加之厚的外延層更容易引入缺陷，終端的存在導致芯片源區實際面積不高，因此6.5 kV及以上的單片并不能滿足相應等級應用場景的需求。針對這一問題目前有3種解決方案：1）制作多芯片并聯模塊以提高電流等級，如Wolfspeed研制了12個芯片并聯的10 kV/240 A功率模塊；2）使用雙極型器件，如目前15 kV等級及SiC柵極可關斷晶閘管器件電流等級可以達到100 A以上；3）繼續改進外延技術，找到控制外延缺陷的新技術。針對電流等級低的問題，未來需要繼續優化器件結構以降低溫度系數，不斷改進關鍵工藝技術以降低缺陷密度，從而進一步提升高壓SiC MOSFET的電流等級。

3.3?外延缺陷問題

高壓器件的性能主要依賴于外延層的材料和技術。目前主流的外延生長工藝是化學氣相沉積法（CVD），一方面在工藝過程會產生點缺陷，另一方面襯底中的微管、堆垛層錯等擴展缺陷會進入外延中，嚴重影響外延層的質量和芯片良率。研究顯示，對襯底表面進行氫刻蝕等工藝可以有效除去表面損傷和表面缺陷，對熱壁式CVD的反應室進行改進也可以提高外延的質量和均勻性。國內外已有表面缺陷小于1 cm-2、厚度為30 μm的成熟6英寸外延片，然而厚度大于50 μm時缺陷密度將進一步擴大，不利于高壓SiCMOSFET的發展和應用。如何改善工藝條件以控制外延缺陷和阻擋襯底缺陷的影響，仍需進一步的實驗測試和驗證。

3.4?可靠性問題

柵氧的工藝質量和缺陷水平是制約高壓SiC MOSFET長期工作的關鍵因素之一。在重復柵偏電應力和高溫工作環境的作用下，柵氧界面陷阱會不斷地捕獲或者釋放電荷，嚴重影響器件的參數穩定性和運行可靠性。與Si基器件相比，高壓SiC MOSFET的SiC/SiO2界面缺陷密度比Si/SiO2界面高出約2個數量級，這是SiC與Si的材料特性差異和SiC工藝技術不成熟導致的，使得高壓SiC MOSFET柵氧界面缺陷對電荷的捕獲與釋放效應更加嚴重，進而引起閾值電壓、導通電阻、漏電流等器件參數的退化和不穩定。閾值電壓漂移是器件參數穩定性中的一大問題，在2006年就有研究展示了高達數百毫伏的閾值電壓漂移量，AIVARS等人報道了一氧化氮退火工藝在柵氧界面處產生的空穴陷阱會導致閾值電壓負向漂移。PUSCHKARSKY等人針對閾值電壓穩定性問題對比了Si、SiC功率MOSFET二者的區別，并討論了在動態應力下的閾值電壓測量技術。柵氧壽命也是評價器件長期可靠性的重要方面，這主要通過時變介質擊穿實驗進行表征。有研究顯示，在器件正常工作的情況下，柵氧電場強度達到3 MV/cm，柵氧壽命可達到100年，也有工作通過改進氧化工藝以提高柵氧質量和壽命。整體上，高壓SiC MOSFET的柵氧工藝還未成熟，需要進一步優化工藝水平，提高器件的可靠性和性能。

器件在極端工作條件下的可靠性對于保證系統的穩定運行起著至關重要的作用，主要的問題有雪崩失效、短路失效和浪涌失效等。高壓SiC MOSFET在非鉗位感性負載下的雪崩失效機理目前有3種解釋，分別是由源區寄生雙極結型晶體管（BJT）開啟導致結溫急劇上升產生壞點、溫度升高導致溝道自開啟和鋁電極達到熔點，這3者最終都導致熱失效，然而失效原因各不相同。白志強等人對P-well區的結構和摻雜進行調整和改進，通過降低BJT基區串聯電阻和JFET區曲率效應以提高器件的雪崩耐受性；KIM等人通過減小柵氧厚度和調窄JFET區寬度降低了飽和電流，以提高雪崩能量。器件的短路失效和浪涌失效除了熱失效原因外，場氧區斷裂或鋁熔化破壞柵氧導致柵源短路也是兩個原因，這對于沉積、熱氧化工藝也提出了更高的要求。除此之外，由于SiC高于Si的熱導率和楊氏模量，繼續使用傳統Si器件的封裝技術也將阻礙高壓SiC MOSFET器件的可靠性提升。

針對以上問題，如何改進現有工藝以提高柵氧質量，如何改進器件結構或封裝結構以緩解熱失效問題或增加散熱能力，都是未來需要進一步研究和解決的問題。

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結束語

針對高壓SiC MOSFET器件，本文首先回顧和總結了器件發展歷程與該領域中的最新研究進展，其次介紹了用于優化品質因數的器件改進結構，進而針對高電壓等級要求闡述了幾種適用于高壓器件的終端保護結構的保護機理與發展趨勢，最后對高壓器件當前存在的瓶頸和挑戰進行了討論。

高壓SiC MOSFET器件將在當前乃至未來的電力電子領域發揮越來越重要的作用，推動電能變換朝著更高電壓、更高頻率、更高功率密度的方向前進。近年來，高壓SiC MOSFET器件得到了越來越多的機構和企業中科研工作者的關注，發展勢頭越來越猛烈，這對于未來電能傳輸和變換應用方面的發展有著巨大的推動作用。雖然受到國外對我國先進半導體材料和工藝上的限制，但國內諸多高校和科研機構仍在持續進行技術研發并跟進國際最新發展方向，與國際先進水平的差距逐漸縮小，國內從業者需要堅持吸取先進技術經驗，早日達到國際領先水平。

參考文獻：（略）

中文引用格式：孫培元，孫立杰，薛哲，等.?高壓SiC MOSFET研究現狀與展望[J].?電子與封裝，2023，23（1）：010111.

英文引用格式：SUN Peiyuan, SUN Lijie, XUE Zhe, et al.Status and prospect of high-voltage SiC MOSFET[J]. Electronics & Packaging, 2023,23(1):010111.

作者簡介：

孫培元（2000—），男，陜西西安人，碩士研究生，主要研究方向為碳化硅高壓功率器件；

王來利（1982—），男，陜西榆林人，博士，教授，博士生導師，研究方向為寬禁帶功率半導體器件封裝集成及無線電能傳輸技術。

編輯：黃飛

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