SiC MOSFET滿足了電力電子行業(yè)對更高效率、更高功率密度以及在極端溫度下運行的要求，其應用領域涵蓋電動汽車（EV）牽引逆變器、可再生能源系統(tǒng)和工業(yè)電源。本文將深入討論不同的SiC MOSFET架構方案。

MOSFET作為開關器件在電力電子領域應用廣泛。作為一種寬禁帶半導體，SiC 相比硅具有多項優(yōu)勢，包括更高的擊穿電場、更高的導熱率、更低的導通電阻、更快的開關速度、更高的工作溫度。

SiC之所以能實現比硅更低的導通電阻，是因為其更高的擊穿電場允許使用更薄、摻雜更重的漂移層。這降低了導通損耗并提高了功率密度，彌補了 SiC 溝道遷移率較低的劣勢，使其非常適合高壓電力電子應用。更薄的層也意味著更小的結電容，從而在開關過程中實現更快的充放電，即更高的開關頻率。

這些優(yōu)勢轉化為更小、更輕且更高效的電源系統(tǒng)。然而，MOSFET本身的架構在發(fā)揮這些材料優(yōu)勢方面起著至關重要的作用。下文會介紹幾種目前業(yè)內比較主流的SiC MOSFET架構。

平面型MOSFET (Planar MOSFET)

平面型SiC MOSFET架構是第一代商用 SiC 功率器件，由于其可制造性，大多數公司仍在繼續(xù)使用。在這種結構中，柵電極放置在 SiC 晶圓表面，通過水平溝道控制電流。

該架構的主要優(yōu)勢在于制造工藝更簡單、技術更成熟，與更復雜的架構相比，能實現更高的良率和更低的生產成本。此外，由于柵氧化層生長在平坦表面上，更容易控制其質量和厚度，從而避免了可靠性方面的隱患。

其主要挑戰(zhàn)在于，由于相鄰單元之間區(qū)域存在結型場效應晶體管（JFET）效應，且電流通過器件的路徑較長，導致溝道比導通電阻較高。這種固有限制降低了功率密度并增加了導通損耗，尤其是在較高工作溫度下。

盡管存在這些挑戰(zhàn)，平面型SiC MOSFET仍被廣泛使用，特別是在成本和成熟度為優(yōu)先考量的應用中。

溝槽型MOSFET(Trench MOSFET)

在溝槽架構中，柵電極垂直嵌入 SiC 襯底中，沿溝槽側壁形成垂直溝道。該拓撲結構旨在顯著提高溝道密度，消除影響平面型器件的 JFET 電阻。

由于寄生電容減小，這使得比導通電阻更低，并改善了開關特性。此外，這種結構提供了更高的單元密度，意味著可以在相同的硅面積內封裝更多的晶體管，從而實現更小、更高效的芯片。

該結構的主要挑戰(zhàn)在于電場管理。當器件處于阻斷狀態(tài)時，極高的電場會集中在柵極溝槽的底部和尖角處。這種電場集中可能會影響器件的長期可靠性，因為柵氧化層在這些應力條件下可能會隨時間推移而退化。

這種可靠性問題最初阻礙了溝槽型SiC MOSFET的廣泛采用。因此，該架構雖然提供了顯著的性能提升，但需要先進的工藝控制。

雙溝槽型MOSFET(Double-trench MOSFET)

為了解決傳統(tǒng)（單）溝槽結構的柵氧化層可靠性挑戰(zhàn)，羅姆半導體在其第三代SiC MOSFET中引入了雙溝槽結構。

雙溝槽結構降低了柵極溝槽底部的電場集中，并最大化了溝道密度以進一步降低導通電阻。通過實施這種設計，羅姆相比其早期的平面型器件，實現了約 50% 的導通電阻降低和 35% 的輸入電容降低。

非對稱溝槽型MOSFET(Asymmetric trench MOSFET)

英飛凌提出了另一種解決柵氧化層可靠性挑戰(zhàn)的方案，在 CoolSiC系列中引入了非對稱溝槽結構，其中溝槽的僅一側用作溝道。這允許另一側針對屏蔽進行優(yōu)化，在開關速度和長期可靠性之間取得平衡。

除了提高柵氧化層可靠性外，該設計還提供了額外的優(yōu)勢，包括減少柵極電荷和降低器件電容，以及減少開關和導通損耗。此外，擴展的 p 型屏蔽區(qū)域還充當集成續(xù)流體二極管的發(fā)射極，改善了反向導通特性并消除了反并聯(lián)二極管的反向恢復損耗。

英飛凌的 CoolSiC MOSFET提供 400 V 至 3300 V 的電壓等級，服務于從 AI 服務器電源到高壓工業(yè)驅動的各種應用。該公司的溝槽技術已通過全球汽車牽引逆變器以及工業(yè)系統(tǒng)的廣泛部署得到驗證。

“深” 雙溝槽和非對稱階梯溝槽變體

羅姆的第四代SiC MOSFET采用了先進的雙溝槽架構，具有更深的 p 屏蔽區(qū)域和源極溝槽，以進一步降低柵氧化層電場。這種深雙溝槽單元結構（稱為 DDT-MOS）與上一代SiC MOSFET中使用的 DT-MOS 雙溝槽結構不同。雖然該解決方案顯著降低了柵氧化層中的電場，但深源極溝槽占據了單元的更大面積，可能限制了溝道密度的提升。

這一概念的進一步演變是非對稱階梯溝槽MOSFET（AST-MOS）結構。它具有階梯狀溝槽，一側有額外的電子電流路徑，并在底部采用厚氧化層作為耐壓區(qū)域。

AST-MOS 結構可以看作是羅姆 DT-MOS 和英飛凌科技非對稱溝槽 MOSFET（AT-MOS）的混合體。AST-MOS 架構的仿真結果表明，它可以在保持低柵氧化層應力的同時，顯著提高擊穿電壓和導通電阻。

溝槽輔助平面型MOSFET(Trench-assisted planar MOSFET)

溝槽輔助平面（TAP）架構代表了傳統(tǒng)平面型和溝槽型設計之間的折衷方案。該拓撲結構現歸屬于納微半導體，源自其對 GeneSiC Semiconductor 的收購。該公司現在將此技術納入其 GeneSiC產品線。

該解決方案由平面柵極結構組成，在源極區(qū)域蝕刻有一個非常淺的溝槽。這種 “源極溝槽” 減小了單元間距（單元之間的距離），而沒有垂直柵極溝槽的制造復雜性或氧化層應力風險。

這種混合設計相比平面架構顯著改善了導通電阻，同時保持了平面柵極的可制造性和可靠性優(yōu)勢。淺溝槽創(chuàng)建了多步輪廓，有助于增強整個器件的電流擴展，從而在無需全溝槽結構所需的深度蝕刻和復雜工藝的情況下降低了電阻。

V型溝槽MOSFET(V-Groove MOSFET)

三菱電機開發(fā)了專有的 V 型溝槽SiC MOSFET，其特征是柵電極嵌入晶圓表面的 V 形凹槽溝槽中。這種 V 型溝槽結構有助于實現高效率，與傳統(tǒng)平面型SiC MOSFET相比，降低了溝道電阻并顯著減少了功率損耗。

三菱的方法需要專門的蝕刻工藝，還包括將肖特基勢壘二極管（SBD）直接集成到MOSFET芯片中，這進一步提高了高壓 SiC 功率模塊的功率密度和器件性能。

素材來源：半導縱橫及網絡平臺