摘要:
相比于传统的SiMOSFET(Simetal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor)而言，以SiC MOSFET为首的第三代功率半导体器件迎来高速发展，因其具有更低的成本、更高的禁带宽度、更高的击穿电压、更低的导通电阻，被广泛的应用于集成电路产业等领域.从不同的材料和结构总结了目前国内外SiC MOSFET的研究进展，分析了3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC这3种材料在SiC MOSFET制备时的优势和不足，针对沟槽外延型和沟槽注入型两种结构的SiC MOSFET进行了器件性能参数的比较.通过对SiC MOSFET不同材料特点的总结，对比不同结构的优势和不足，为将来进一步研发更高击穿电压和更高性能的SiC MOSFET提供了研究思路.随着研究的不断深入和技术的不断进步，SiC MOSFET的工作环境不再局限于现有的条件下，而是应用于更多的领域中.
引言
目前，硅基半导体器件以及集成电路产业正在高速发展，其广泛应用于电子工业、电子设备、通讯产业、航空航天等领域.随着技术的发展，功率半导体器件变成了科技产业的技术核心，是现代电子产业的“心肺”,由于硅(Si)材料的价格低，易制备、工艺简等优势，已经被广泛应用于功率电子器件的制造.但是目前世界上合理解决能源问题已经成为了第一难题，我国也同样面临此问题，由于我国能源储备有限，对外能源供应的依赖度逐渐升高，已经影响了我国的经济，所以我国针对能源问题提出了节能减排的规划，将调整能源结构和大力发展新能源作为主要途径.
国内以Si为主的功率半导体器件作为先锋力量，随着电子电力等技术在其应用领域的高速发展，已无法满足其现在处境.传统的功率半导体器件，对于现在的新型处境表现明显乏力.近些年来，以碳化硅(SiC)为首的宽禁带第三代功率半导体器件成为了半导体产业内冉冉升起的一枚新星，受到业界广泛关注.因SiC器件具有较高的禁带宽度、击穿电场强度高、耐高温、较好的热导率、较高的电流密度等特性，所以适用于更高的工作频率，更高的温度领域，在无线充电、电子工业制造、智能网络等新能源技术领域更为受用.随着微电子产业和电子工业的迅速发展，功率半导体器件逐渐被重视起来，SiC材料因为其独特且优越的物理特性，与传统的SiMOSFET相比，SiC MOSFET在许多方面拥有更好的物理特性，更得益于半导体器件科学家深入研究，具备更广阔的应用前景.其工作原理为通过改变其栅极电压，可以控制半导体表面的导电沟道的宽度，进而控制电流的流动.当栅极电压达到一定值时，会在半导体表面形成反型层，从而形成一个导电沟道，电流就可以从源极流向漏极.这种通过电压控制电流的技术使得MOSFET在各类电子设备中扮演着重要的角色.目前SiC MOSFET的导通机理及性能因素、封装的可靠性、体效应下阈值电压、栅极漏极电容(Cgd)、离子注入等领域得到了广泛研究.
本文针对目前国内外SiC MOSFET器件的研究进展进行综述，首先从材料结构方面，对3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC这3种SiC材料结构的MOSFET进行了总结并展示其结构，以及对这几种结构性能参数展开比较，分析了制作SiC MOSFET采用不同SiC材料结构对器件性能的影响，讨论因其结构差异引起的不同的优势和劣势；然后从SiC MOSFET器件结构角度，对沟槽外延型和沟槽注入型SiC MOSFET进行了详细的性能分析和器件性能参数比较.通过不同材料结构的横向对比以及不同器件结构的纵向对比，展示其各种特点，为将来SiC MOSFET提供了研究思路和参考.
1、不同材料的SiC MOSFET
以硅为半导体材料的主流时代已经过去，以碳化硅为主要材料的宽禁带半导体器件已经开始登上半导体器件的舞台，碳化硅材料以其比硅材料更为良好的物理特性和特殊的物理结构，SiC场效应晶体(SiCFET)相较于Si场效应晶体(SiFET),具有显著的优势，主要体现在更高的击穿电场、电子漂移速度、导热性等方面.SiC的临界电场强度是Si的10倍，这意味着在达到同样的击穿电压时，SiC器件所需要的漂移区厚度大大小于硅器件，从而使得SiC器件的漂移区电阻减小.这种特性使得SiCFET具有更高的耐压能力和更低的导通压降.在SiC半导体中，电子漂移速度是Si基半导体的两倍.电子移动得越快，设备的开关速度就越快，从而在开关转换期间降低功耗.此外，更高的开关频率允许使用更小的磁体和电容，这对于提高系统效率和功率密度尤为重要.SiC的导热性大约是Si的三倍，这意味着SiC器件可以在更高的温度下工作，而不会像Si那样受到温度的限制.这种优异的导热性使得SiCFET能够在高达200℃的温度下工作，而Si的典型工作温度限制为150℃.结合这些优势，系统设计师可以设计出更高效的产品，同时使产品更小、更轻，最终降低成本.尽管与同等硅器件相比，碳化硅器件更贵，但如果考虑到使用更小的无源元件和更少的热管理带来的成本降低，整体系统成本可降低20%.综上所述，SiCFET在高功率应用中非常有利，如要求高电压、高电流、高温、高导热性和较轻总重量的应用场景.金属氧化物半导体场效应晶体管和肖特基二极管(在分立和功率模块封装中)是利用SiC的主要技术.这也就使得SiC材料的器件更加受到半导体功率器件科学家的关注.目前SiC MOSFET已知的结构共有200余种，其中最为常见的就是3C-SiC(立方堆积结构)、4H-SiC(六角堆积结构)和6H-SiC(六角堆积结构).由于4H-SiC的原子结构较为特殊，这使得4H-SiC具有相对其余两种材料更宽的禁带宽度，如表1所示.
我们可以根据表1得知3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC三种结构的性能参数，看出4H-SiC结构对于其余两种结构来说，具有更高的禁带宽度、临界击穿场强等优势.下面将分别介绍三种结构并根据具体的实际应用，举例说明为什么4H-SiC结构成为了第三代半导体的新星材料.
1.1、3C-SiC MOSFET
碳化硅是一种宽禁带半导体材料，在高温、大功率、高频率等极端条件下工作具有良好的性能.在功率应用中，SiC大带隙转化为高击穿场.使用立方多型3C-SiC这种结构有几个优点，第一是SiO2/3C-SiC界面的陷阱密度较低；第二是更高的通道电子迁移率；第三是具有比Si更高的电厂饱和漂移速度，意味着它可以在更高的电场下工作，并且具有更高的开关速度.由于3C-SiC高速开关和低通道电阻，使得3C-SiC MOSFET能够在更高频率下工作，适用于高频应用.事实上，尽管击穿场低于4H-SiC结构，但在3C-SiC MOSFET中观察到的反转通道迁移率比4H-SiC结构高一个数量级以上.
2020年，美国科罗拉多大学博尔德分校的Fardi等对3C-SiC
MOSFET进行了二维器件仿真，其结构如图1所示；并与基于一维分析理论模型的计算结果进行了比较.该设计需要改进较大面积的掺杂剖面，以避免局部高场强区域导致快速击穿.结果表明，除了三极管和MOSFET饱和区之间的过度外，一维模型计算结果和二维模拟结果基本保持一致.从阈值曲线中提取的有效迁移率显示，该值约为通道中局部低场迁移率的一半，即116～106cm²/V·s,而不是200cm²/V·s.仔细观察发现，这是由于反转层中电荷的减少，而不是迁移率的实际减少，栅极、沟道和体之间的电容分压器是原因，亚阈值理想因数也证实了这一点.并分析表明，给定所使用的参数并假设衬底足够薄，600V的3C-SiC
MOSFET可以具有比4H-SiC
MOSFET低两倍的导通电阻，这是由于其更高的沟道迁移率和更小的击穿场.
2021年，英国诺丁汉大学工程学院的Arvanitopoulos和英国考文垂华威大学工程学院的Antoniou等提出了一种新的3C-SiC MOSFET结构，结构示意图如图2所示，这是一种新的S-JJFET的工艺，用于可行的垂直3C-SiC-on-Si-n-MOSFET,其打破了关于材料这一方面的限制.通过同质外延生长P型电导率薄层，而不是利用离子注入形成P区，然后通过非均匀的过度补偿形成P型区.他们通过TCAD软件建立了该模型，确定了一个相对较宽的安全电荷不平衡窗口，从-65%～-45%,可以适应最终掺杂浓度值的不确定性.此外，按照S-JJFET工艺的设计流程不仅能实现3C-SiC-on-Si-MOSFET技术，而且还能在较为广泛的温度范围(300K≤T≤473K)下实现较为优良的导通状态、高通道迁移率值和正向阻塞能力的潜力.
类似于以上几种3C-SiC MOSFET的理论设计方法，能够实现高迁移率和高阻抗击穿场强，所提出的工艺可以适用于许多集成电路半导体元器件中.
1.2、4H-SiC MOSFET
由于3C-SiC MOSFET结构的限制性，其已无法满足大功率器件的要求.由4H-SiC制备的金属氧化物半导体场效应晶体管，因为其具有更低的导通电阻、更快的开关速度、更好的栅极绝缘、更好的抗辐射能力等特性，在电子电力领域也得到了广泛的研究，具有广阔的应用前景,其在混合动力汽车和纯电动汽车等领域应用广泛，目前已被记录投入应用的SiC-MOSFET共有200余种，其中应用最多的为4H-SiC MOSFET.总的来说，4H-SiC MOSFET是一种具有优异电性能和热性能的功率器件，正逐渐取代传统的SiMOSFET,成为下一代功率电子器件的重要组成部分.
2021年，Chen等提出了一种新型结构，结构如图3所示.其是一种不同浓度浮动超结4H-SiC MOSFET(DC-FSJMOSFET),通过TCAD软件进行仿真，这种结构不仅能达到理想的击穿电压，还能有效降低损耗，其与传统垂直的MOSFET的结构和静态特性相比，DC-FSJMOSFET具有更高的击穿电压和更低的正向比导通电阻.这种结构采用多外延技术，在外延层形成浮动P型结构，然后，增加电流扩散层(CSL)以降低电流的损耗.对浮动P型结构深度、外延层浓度和厚度进行了优化.这种结构不仅可以实现超过3300V的击穿电压，还可以降低正向比导通电阻.在相同条件下，DC-FSJMOSFET的Baliga数值比传统垂直MOSFET提高了27%.正向比导通电阻比传统的垂直MOSFET低25%.
同年，美国纽约州立大学理工学院的Kim等通过利用沟道注入的方法使得P阱变得更深，1.2kV4H-SiC MOSFET的电路稳定性有了很大提升.他们提出使用通道植入的方法来实现该结构，为了进行通道植入，在4H-SiC(0001)衬底中，以4°截断塔晶格面(11-20)方向将4°的倾斜角调整到4H-SiC的晶格面(0001)方向.在正向导通的工作条件下，此结构的4H-SiC MOSFET与传统的MOSFET具有几乎相同的正向导通电阻.这是近些年首次提出并通过应用沟道注入形成深P阱这种结构，使得正向导通电阻和抗短路时间之间的关系得到显著的改善，并为更高电压的4H-SiC MOSFET提供了新的研究思路.
1.3、6H-SiC MOSFET
6H-SiC MOSFET是一种基于6H型结构的碳化硅材料制造的金属氧化物半导体场效应晶体管，是一种多晶形态的碳化硅，其晶体结构属于六方晶系，结构如图4所示.这种结构具有较好的晶格匹配和热稳定性，适用于制造高性能的功率器件，通常我们使用物理气相沉积(CVD)、分子束外延(MBE)等方法以获得高质量大尺寸的SiC晶体.由于其结构和物理特性较为特殊，使得6H-SiC MOSFET主要应用于变频驱动，电力逆变等领域中。
2019年，ABB瑞士有限公司的Cabello等提出了一种基于硼的替代栅极氧化物配置的结构，以提高SiO2/SiC界面性能，实现能够提升6H-SiC MOSFET沟道迁移率的物理模型.他们使n-MOSFETs的栅极掺杂工艺应用于6H-SiC MOSFET带隙中，可以有效提高6H-SiC MOSFET中的场效应迁移率.虽然提升效果在6H-SiC MOSFET中不是十分明显，但是考虑到场效应迁移率中主要限制因素是能量接近倒带边缘的NIOTs的存在，可以得出硼处理对NIOTs还原还是有效果的，也为4H-SiC和3C-SiC结构研究进展中提供了一种新的研究思路.
来自SalhiAhmed大学技术学院的Taibi和Toumi在2022年对6H-SiC的电子结构和热性能进行了研究，设计了一种6H-SiC MOSFET的二维模型，利用实验软件研究了传热对晶体管物理特性的影响，使用第一性原理的计算方法研究了6H-SiC的物理性质，证明了6H-SiC可以应用于热电子当中，然后利用可靠的热传导模型对温度分布进行了研究，最后当t=12ps时，6H-SiC MOSFET物理模型达到了360K的最佳温度，并获得尽可能更高的精度.此项研究为之后进行6H-SiC MOSFET温度特性和热稳定性研究提供了一种全新的思路，做了良好的铺垫.
从表2可以看出3C-SiC MOSFET、4H-SiC MOSFET和6H-SiC MOSFET这三种结构的物理特性和各结构的优缺点.
我们可以从表2中通过分析得出，当中的6H-SiC MOSFET工作最佳温度在360K,但与当中的4H-SiC MOSFET工作温度相差不多，与传统的MOSFET对比开关损耗降低了77.78%.和相比在同等的击穿电压条件下，当中所设计的4H-SiC MOSFET性能更加好一点，具有更低的正向比导通电阻.当中的4H-SiC MOSFET击穿电压可以高达3300V,并且正向比导通电阻与传统的SiMOSFET相比降低了25%,可以投入到工业生产当中.从当中看出，虽然4H-SiC MOSFET击穿电压相对较差，但其可以工作在更高温度的环境条件下，并且正向比导通电阻更低，具有更低的开关损耗.综上所述，之所以4H-SiC MOSFET作为SiC MOSFET当中主流的研究对象，是因为其凭借优异的物理特性，成为众多科学家更为青睐的研究目标.
2、不同结构的SiC MOSFET
过去的十年中，因为碳化硅材料的特性可以明显改善开关损耗，所以碳化硅功率器件被应用于各种电力系统，得到了快速的发展.SiC MOSFET以其具有代表性的宽禁带材料和器件性能，具有导通电阻低、功率密度高、开关特性优异等优点，近些年得到广泛的研究与应用.提高SiC MOSFET工作效率、可靠性和降低功耗、减小芯片尺寸十分重要，因此接下来我们从其结构方面来介绍SiC MOSFET的发展现状.
2.1外延沟槽型MOSFET
植入外延型MOSFET可以通过低掺杂P型外延层来增强通道迁移率，避免注入损伤器件.来自日本国立先进工业科学技术研究所的Shiomi等提出并制作了一种新型外延沟槽结构的SiC MOSFET,并将其命名为IETMOSFET,其横截面结构示意图如图5所示.他们分别使用高质量的P-和N-外延层作为沟道和沟槽电流的拓展层(TCSL),其可以提高电流扩散的沟道迁移率和体迁移率，避免离子注入引起的损伤和杂质变化.在此利用现有的离子注入和外延MOSFET(IEMOSETs)开发的离子注入和外延技术来保护沟槽底部和具有高迁移率的相对低掺杂的外延沟道层.他们通过优化栅沟槽结构下P区的几何结构，获得了1.8～2.0Ω低导通电阻(Ron)和1200V以上的击穿电压(BVDSS).为将来能够获得更高压、低导通电阻的外延沟槽型SiC MOSFET提供了新的研究思路.
2.2、注入沟槽型MOSFET
2021年，重庆大学微电子与通信工程学院的Ran等为了降低功率损耗提供了一种新的研究方法，设计了如图6所示的结构，分别为SiC沟槽MOSFET和3DHJD-MOSFET.HJD的价带为1.73eV,导带为0.45eV.电子势垒高度FBN(约1.48eV)由费米能级Ef和导带EC决定.当器件正向偏置时，这个势垒高度会导致一个小的正向电压(VF).相反，当器件反向偏置时，它会导致高击穿电压.而势垒高度DEC将控制寄生二极管处于导通状态，产生大的导通电压(VPN).此外，在与HJD同侧围绕栅极氧化物的结构中以及栅极氧化物下方引入了高掺杂P+层，以提高栅极氧化物的可靠性.它可以减轻栅极氧化物和HJD附近区域的电场浓度，减少栅极层区域与漂移层之间的重叠，实现高BV和快速开关时间.通过对其载流子迁移率和HJD同侧的栅极氧化层周围以及栅极氧化层下方包裹的一层高掺杂的P+层进行优化，以减轻电场浓度，提高栅极氧化层的可靠性改善了SiC MOSFET的电特性，实现了与具有相同导通电阻水平的传统功率器件相比，HJD-TMOS的击穿电压提高了23.4%,米勒电荷和开关损耗分别降低了43.2%和48.6%.这些数据表明3DSiC MOSFET在电力系统具有很大潜力.
SiC平面MOSFET器件因为通道迁移率较低，导致其仍具有相对较高的比导通电阻(Ron,sp).另外，SiC沟槽MOSFET器件可以实现更低的Ron,这是由于没有JFET区域、更小的单元间距和沟槽侧壁上更高的沟道迁移率.然而，在阻塞状态下，SiC沟槽MOSFET器件在沟槽角栅极氧化物中受到高电场的影响，这可能导致器件的可靠性出现问题.
为了实现SiC MOSFET更高的开关速度和更低的开关损耗，提升SiC MOSFET的性能，2023年浙江大学微纳电子学院Wang等研究了栅极漏极电容(Cgd)和栅极漏极电荷(Qgd).由于筛分效应增强，Cgd和Qgd随N注入区(Wsp)的增加而降低.与SiC双沟MOSFET器件相比，优化后的SiCNITMOS器件的Cgd降低了79%,Qgd降低了38%,Qgd降低了41%.使用所提出的结构可以实现更高的开关速度和更低的开关损耗.其结构如图7所示.利用生长在N漂移层顶部的P型外延层(图7(a)中的P-epi)来保护沟槽底部的栅极氧化物.所提出的SiCNITMOS器件基于自对准N型注入技术，加入N型区域(图7(a)中的N-imp),并通过P-epi层传导电流.沟槽侧壁与N-imp(图7(a)中的Wsp)之间的横向间距可以通过自对准过程精确控制.为了减小P-epi层造成的耗尽宽度，扩大电流传导区域，引入了相对较重的掺杂电流扩散层(图7(a)中的CSL).利用P+区实现了P-epi层与源之间的短连接.与浮动P型屏蔽区相比，接地P型屏蔽区可以有效降低栅极氧化物中的最大电场，提高器件的开关速度，提高器件的短路能力，有助于提高器件的性能和可靠性.考虑到当前的制造能力，器件的沟槽宽度(图7(a)中的TW)、沟槽深度(图7(a)中的TD)和单元间距分别设置为1μm、1μm和3μm.该通道的长度为0.4μm,电子迁移率为40cm²/V·s,另外，在沟槽的侧壁和底部，栅极氧化物的厚度为50nm.
接下来进行列表对比外延沟槽型和注入沟槽型SiC MOSFET的器件性能，分别从击穿电压、导通电阻、电容等方面进行对比.
通过表3可以清晰的看到，目前所有的SiC MOSFET已经朝着高击穿电压低开关损耗和低比导通电阻的方向发展，外延沟槽型MOSFET击穿电压也在1200V左右，但是注入沟槽型MOSFET对比之后，发现外延沟槽型比导通电阻明显低于注入沟槽型，但是外延沟槽型开关损耗高于的开关损耗，性能总体来说不相上下.注入沟槽型SiC MOSFET的击穿电压达到了1.7kV,对比于其他的注入沟槽型MOSFET来说击穿电压很高，而且比导通电阻低至1.59mΩ·cm2,开关损耗也比较低，性能总体来说要优于其他的注入沟槽型SiC MOSFET,并且其性能远远优于传统的SiC MOSFET,未来经过更深入的优化和设备的升级，可以得到更加优异性能的SiC MOSFET,并且可以投入到大规模的生产当中去.
3、总结
伴随集成电路集成尺寸越来越小，需要的半导体器件尺寸也逐渐缩小并且性能要求也逐渐提高.通过本文可以得出在当前环境下，4H-SiC MOSFET更受大众的欢迎，并且其性能更加优越于其他两种结构的SiC MOSFET,其凭借高击穿电压，低导通电阻一跃成为SiC MOSFET里性能最好的结构.通过表3可以看出注入沟槽型的SiC MOSFET性能更加优越，具有更低的开关损耗并且更有研究价值.
目前以碳化硅功率半导体器件为主体的芯片，其成本取决于碳化硅材料的成本，SiC MOSFET器件在半导体产业界十分受关注，发展前景被许多人看好，同时，更高击穿电压、更低比导通电阻的SiC MOSFET更有待进一步实现技术突破.本文基于SiC MOSFET材料和结构两个方面进行阐述其目前的发展现状.由于其工艺的日渐成熟，人们正在推动SiC MOSFET产品的更新迭代，使SiC MOSFET器件具有更稳定的性能，可以满足高压、高频率、高温电子电力系统的工作要求.未来，随着技术不断创新，科技的不断发展，SiC MOSFET作为第三代半导体领军器件在电子领域中将会得到进一步的发展和提升。
如果您有样品申请或者技术支持等需求
我们将为您提供高效、贴心的解决方案！
欢迎电话咨询：135 1009 9916（微信同号）
↓ ↓ 点击图片免费领取产品规格书 ↓ ↓ 
想深入了解碳化硅功率器件产品知识？点击→「碳化硅（SiC）课堂」获取详情！
