碳化硅MOSFET在材料與器件特性上不同于傳統硅，如何保證性能和可靠性的平衡是所有廠家需要面對的首要問題，英飛凌作為業界為數不多的采用溝槽柵做SiC MOSFET 的企業，如何使用創新的非對稱溝槽柵既解決柵極氧化層的可靠性問題、又提高了SiC MOSFET 的性能? 增強型M1H CoolSiC芯片又“強“在哪里？英飛凌零碳工業功率事業部高級工程師趙佳女士，在2023英飛凌工業功率技術大會（IPAC）上，發表了《增強型M1H CoolSiC MOSFET的技術解析及可靠性考量》的演講，深入剖析了CoolSiC MOSFET的器件結構，以及M1H芯片在可靠性方面的卓越表現。點擊視頻可觀看回放。

1

碳化硅的材料特性

(a)SiC是寬禁帶半導體，它的帶隙寬度約是Si的3倍，由此帶來的好處是SiC的臨界場強約是Si的10倍。對于高壓Si基MOSFET來說，漂移區電阻占總導通電阻的主要分量。SiC臨界擊穿場強高，要達到相同的耐壓，可以使用更薄以及更高摻雜的漂移區，從而大大降低了導通電阻。

(b)IGBT是雙極性器件，電子和空穴同時參與導電，關斷時空穴復合產生拖尾電流，增加了關斷損耗。而SiC MOSFET是單極性器件，沒有拖尾電流，相比Si IGBT節省至多80%開關損耗。SiC材料大大拓展了MOSFET的電壓等級，最高電壓可到3300V以上，重新定義了MOSFET的應用范圍。

(c)SiC材料為器件設計即帶來了機遇也帶來了挑戰。最大的挑戰在于柵氧化層界面SiC-SiO2存在較高的缺陷密度和界面電荷，可能導致早期擊穿、閾值漂移、導通電阻上升等問題，最終威脅到器件的壽命和可靠性。

2

為什么SiC MOSFET需要溝槽柵

(a)SiC材料的應用使得MOSFET漂移區非常薄，因此溝道電阻就成為了降低總電阻的關鍵。

(b)根據溝道電阻的公式，可以采用以下手段，但是會加大可靠性風險：

多元胞并聯導致高成本和高短路電流

降低柵氧化層厚度將導致柵氧化層應力上升，對柵極可靠性造成影響

提高驅動電壓，同樣會加大柵氧化層應力

降低閾值電壓，可能會帶來串擾問題

最優的辦法是增加溝道載流子遷移率un

(c)SiC-SiO2界面態密度和缺陷遠大于Si-SiO2界面，SiC MOSFET溝道載流子遷移率相比IGBT偏低。溝道載流子遷移率低會導致溝道電阻和損耗上升。SiC是各向異性晶體，垂直晶面上的氧化層缺陷密度小于水平晶面。可以利用這一特性解決上述難題。

(d) 比較溝槽柵和平面柵兩種技術，如果要保持同等柵氧可靠性，平面與溝槽需同時使用同樣厚度的柵氧化層，平面型MOS面積要顯著大于溝槽柵；如果要保持相同的芯片面積，為了維持低導通電阻，平面型需要更薄的柵極氧化層，柵氧應力高，可靠性差。

(e) 英飛凌CoolSiC MOSFET采用非對稱溝槽柵結構，有如下技術點：

溝道所使用晶面與垂直軸呈4C夾角，具有最低的界面態密度與氧化層陷阱，因而能保證最高溝道載流子遷移率

深P阱作為增強型體二極管，增大二極管的面積和發射效率

溝槽型底部拐角承受高電場，深P阱另一個作用是保護溝槽拐角

JFET區域限制短路電流，增加可靠性。

3

CoolSiC MOSFET的可靠性考量

(a)英飛凌SiC MOSFET柵氧化層厚度與Si 器件柵氧化層厚度相當。而平面型SiC MOSFET 柵氧化層厚度普遍低于溝槽柵。柵氧化層的電壓應力與厚度成反比，過高的電場應力使得器件經時擊穿的風險增加。可通過施加門極階躍電壓的方式來評估柵氧化層可靠性。英飛凌CoolSiC MOSFET擁有最低的失效率，并且與Si IGBT的失效特性相似。

(b)在長期的開關過程中，SiC MOSFET會出現閾值漂移的現象。這是平面型器件與溝槽型器件都需要共同面對的難題。英飛凌最早發現并研究了這一現象。最新的M1H芯片，進一步改善了柵氧化層質量，使得閾值漂移可以忽略不計。當到達預期目標壽命時，導通電壓為18V時，預計25°C時的RDS(on)的相對變化小于6%，175°C時小于3%。

(c) M1H芯片的閾值電壓約4.5V，高于其他競爭對手，并且具有非常低的米勒電容。高閾值電壓能夠有效抑制寄生導通現象。

4

CoolSiC MOSFET的短路特性

(a)大部分SiC MOSFET不承諾短路能力。CoolSiC是唯一承諾短路能力的SiC MOSFET。在門極15V電壓下，單管具有3us的短路時間，EASY模塊具有2us的短路時間。

(b)SiC MOSFET在短路時具有電流飽和的特性，但短路時間往往低于IGBT。這是因為SiC MOSFET具有更高的短路電流密度，更小的面積以及更薄的漂移區，使得熱量更加集中，從而降低了短路時間。

5

總結

英飛凌M1H CoolSiC MOSFET非對稱溝槽柵提供性能與可靠性的最優折衷設計