这篇文章聊聊沟槽栅功率MOSFET降低栅电荷的各种方案，
如上，沟槽栅功率MOSFET基本结构，
N+和P-body被近似矩形的沟槽隔开，槽中主要填充物为深蓝色的Gate，Gate两侧及底部是荧绿色的栅介质（SiO2），
从开关特性的角度分析，这种结构的关键问题在于——栅沟槽底部完全裸露于外延层，栅漏交叠面积较大，导致CGD较高、QGD较大。
在高频开关应用中（尤其是工作频率超过1MHz的转换器），栅电荷较大的沟槽栅功率MOSFET面临诸多问题，包括：
1、栅极驱动产生的大功率损耗（驱动损耗），
2、需要的驱动电流较高，瞬态响应较差，
3、占空比存在较大限制，
4、需要大型栅极驱动器缓冲器。
5、高dV/dt效应，影响有效栅极电压，引发误导通等状况。
接下来，看看前人为降低栅电荷，鼓捣出了哪些好玩的东西。
如上，降低栅电荷的三种方案，
（a）是TBOX结构，特点是Gate下方的栅氧化层做得更厚，且栅沟槽下方进行P型注入，
前者可以降低栅氧化层电容，后者则通过设置接源极的P区，将相当一部分栅漏电容转换成栅源电容，进一步降低CGD，
这种方案的缺点在于工艺一致性，沟槽深度、底部氧化层厚度的波动都会影响CGD。
为降低工艺波动对器件性能产生的影响，前人鼓捣出图（b）所示的结构，原文称之为W形栅极，
俺总觉得这种栅极更像是一颗牙齿，且称之为牙状栅极，
即，对沟槽底部的多晶硅进行局部氧化，形成厚氧化层，
如此形成的厚氧化层呈如下特征：中心区域厚度较大、边缘区域厚度较小，
相比CVD工艺形成TBOX，这种多晶硅氧化的方式工艺稳定性更佳，另外中心较厚、两侧较薄的结构，可减小沟槽深度变化对CGD的影响，
此外，对两侧的Pbody进行加深（淡红色区域），如此设计是为了进一步降低栅漏交叠面积（栅沟槽两侧的栅漏交叠区域），
但加深Pbody势必会影响器件导通能力，于是又在多晶硅氧化前，向沟槽底部注入磷离子，以形成N型区域（白色虚线），确保电流密度不会明显降低。
第三张方案如（c），可称之为T型栅+场板，
T型栅不必多说，指栅极上半部分较宽，下半部分较窄，
场板（Field plate）又是啥玩意？
以这张图为例，从材料的角度理解场板结构，非常清晰，
标注Field plate指向的区域，为金属，
标注Field Oxide指向的区域，为绝缘层，
再往下的白色区域，为N型半导体，
所谓场板结构，其实就是这样一个由金属/绝缘层/半导体构成的MIS结构，起到的效果便是使得电场分布更加均匀。
场板结构多数时候用在终端区域，但像第二张图（c）所示的结构，就是将场板结构应用在有源区，
看图（c），T型栅下半部分，那根细长的栅极，此即场板的金属，
细长栅极两侧的萤绿色绝缘层，此即场板的绝缘层，
再往外，蓝色的Nepi，此即场板的半导体，
换言之，相比常规的场板结构，这种设计将场板结构转了90°，以此在半导体内部实现场板结构调制电场分布的效果。
但这种结构的缺点在于，T型栅下半部分的细长栅极仍然与上半部分栅极相连，因此栅漏交叠面积仍然较大。
因此接下来的改进思路非常明显——将下半部分的细长栅极与上半部分的栅极分开，且将下半部分栅极与源极短接，以降低栅漏交叠面积。
各位可以想象一下那个结构，其实这就是后来的SGT-MOS，
因此，T型栅+场板结构 也可视作SGT-MOS（屏蔽栅MOS）出现的前奏 ，具体参考这篇文章。
大概2004年，Baliga等人提出这种改进方案，
栅沟槽中存在两部分原位掺杂多晶硅区域，上半部分作为器件的栅极，下半部分作为场板结构的“Metal层”，
如上图，下半部分多晶硅接地，极大减小栅漏交叠面积，降低CGD，
右边的栅电荷曲线表明，相比传统沟槽栅功率MOSFET结构，这种SG-MOS可以将QGD从27nC降至7nC，将QG从93nC降至40nC，
QG降低了57%，QGD降低了75%，
为什么前者的降幅小于后者？
这正是SG-MOS的缺点——下半部分多晶硅接地不可避免会导致输入电容Ciss增大，进而导致QGS和QG增大。
换言之，QGS的增幅，抵消了一部分QGD的降幅，使得QG的降幅低于QGD。
至于Ciss为什么会增大，看图中标注，
下半部分那里多了两种电容，CGP和CDP，这里的P是Plate（场板），
器件工作时，CGS和CGP并联，Ciss=CGS+CGP，Ciss因之增大，
而CDP亦会增大输出电容Coss，因其与CDS、CDG并联，那么Coss=CDP+CDS+CDG，
较大的Coss会降低高频DC-DC转换器的工作效率，尤其是在高压下（如超过100V）。
当然，必须提到采用SG-MOS的另一优势——外延层电场分布更加均匀，因此可通过更高浓度的外延层实现相同的击穿电压，进而降低器件导通电阻。
这种作用类似超结结构的工作机理。
如您对我们的产品感兴趣，欢迎联系
我们将为您提供高效、贴心的解决方案！
咨询电话：135 1009 9916（微信同号）
点击下方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！
