【導讀】碳化矽（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(qi)件(jian)的(de)發(fa)展(zhan)曆(li)程(cheng)和(he)前(qian)沿(yan)技(ji)術(shu)進(jin)展(zhan)
，總(zong)結(jie)了(le)進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)高(gao)器(qi)件(jian)品(pin)質(zhi)因(yin)數(shu)的(de)元(yuan)胞(bao)優(you)化(hua)結(jie)構(gou)

，介(jie)紹(shao)了(le)針(zhen)對(dui)高(gao)壓(ya)器(qi)件(jian)的(de)幾(ji)種(zhong)終(zhong)端(duan)結(jie)構(gou)及(ji)其(qi)發(fa)展(zhan)現(xian)狀(zhuang)，對(dui)高(gao)壓(ya) SiC MOSFET 器件存在的瓶頸和挑戰進行了討論。

1 引言

電力電子變換已經逐步進入高壓、特高壓領域，高壓功率器件是製約變換器體積、功耗和效率的決定性因素。特高壓交直流輸電、新能源並網、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

，矽（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製約了其在高功率
、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台

，並憑借其比 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 SiC MOSFET 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，相較於其他單 / 雙極型開關器件具有以下優越性：其開關損耗低，易於提高功率模塊整體效率；開關頻率高

，降低了電容電感體積
，利於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
，利於在高溫環境下的應用。隨著 SiC 晶圓製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麵積之間存在矛盾
；3） 存在器件可靠性問題，工藝技術和結構設計嚴重影響器件的長期工作。這些問題嚴重限製了高壓 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 的發展曆程和國內外研究進展，隨後從器件特性的權衡關係出發
，在高壓 SiC MOSFET 的改進結構和終端保護技術等方麵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。

2 高壓 SiC MOSFET 發展曆程與研究現狀

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 功率器件主要基於 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 倍於 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於 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 R_ON,sp 和擊穿電壓 VB 的關係可以進一步說明 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係：R_ON,sp=(3/2)³ VB² /εs μnEc³ 


，其中 ε_s 和 μ_n 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 相比具有耐壓更高、損耗更低的優良特點。

2.2 SiC MOSFET 器件的發展曆程

功率 SiC MOSFET 主要有 2 種技術路線，根據柵極工藝分為平麵型 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
，但工藝較為複雜，受柵氧可靠性影響導致阻斷能力較差。

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 SiC MOSFET 研製成功以來，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 公司於 2012 年提出並使用雙溝槽結構 SiC TMOS

；Infineon 公司於2017 年推出了 CoolSiCTM 產品；Cree 公司專注於平麵型並已推出第三代 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；然而對於 3.3 kV 以上、特別是 10 kV 及以上的超高壓等級 SiC MOSFET，隻能使用平麵型結構以避免溝槽底部的柵氧可靠性問題。

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 等人於 2006 提出和研製的
，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 550 μm 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+ 區注入並實現了 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
，並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，研製了 1.7 kV/3.5 mΩ·cm² 等級的高壓 SiC TMOS 和 3.3 kV/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 10 kV 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 Wolfspeed 部門提出了新一代6.5 kV/30 A
、 導 通 電 阻 小 於 90 mΩ 的 高 壓 SiC VDMOS；同年，三菱電機公司研製出 6.5 kV/50 A 等級的高壓 SiC VDMOS，並將肖特基勢壘二極管（SBD）嵌入元胞結構中，還於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湧電流能力的 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 研發部門並成功研發了 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 等級係列高壓 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，並據此生產了 13.6 kV等級超高壓 SiC VDMOS
，電流等級為 10 A；浙江大學也研製出 1.2 kV 等級的高壓 SiC VDMOS。

2.3 靜態特性優化現狀

Baliga 品 質 因 數 （BFOM）FB 是 描 述 高 壓 SiC MOSFET 靜態特性的核心指標
，關係式為 F_B=V_B ² /R_ON,sp
，它ta反fan映ying了le擊ji穿chuan電dian壓ya與yu比bi導dao通tong電dian阻zu之zhi間jian的de矛mao盾dun關guan係xi和he導dao通tong特te性xing的de優you劣lie程cheng度du。對dui器qi件jian元yuan胞bao結jie構gou的de主zhu要yao參can數shu進jin行xing優you化hua，可ke以yi在zai維wei持chi電dian壓ya等deng級ji不bu變bian的de條tiao件jian下xia降jiang低di比bi導dao通tong電dian阻zu，從cong而er提ti升sheng BFOM
，然而由於溝道擊穿、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 SiCVDMOS 和 SiC TMOS 品質因數的元胞結構分別如圖3、4 所示。

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，隨後從狹窄的 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，並拓寬電子在JFET 區的流動範圍以降低導通電阻
，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 區頸部進行大於外延層濃度的 N 型摻雜以降低電阻率
，該方式隻適用於平麵型
；2）電流擴展層（CSL），即在 P-well 注入之前進行一定深度的大於外延層濃度的 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 R_ON,sp∝V_B ^2.5 極限關係，使得相同電壓等級下 R_ON,sp 大幅降低
，是功率 MOSFET 器件自發明以來的一個重要裏程碑。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。陳星弼院士於 1991 年首次提出縱向功率器件的 SJ 結構並申請專利，該結構在當時被稱為複合緩衝層。1998年開始
，Infineon 公司推出了 CoolMOSTM 產品，其他公司也相繼研製並生產了 Si基 SJ 器件
，SJ 技術開始廣泛運用於 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，此路線工藝方式複雜，但可以形成質量較高的結構，界麵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製；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 研究所專注於 SiC SJ 器件的研究和製備。該研究所於 2013 和 2014 年分別通過 ME 和 TFE的技術路線研製出 SiC SJ 器件
，並借助 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係數並且 TFE工藝的器件溫度係數更小；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 和體二極管反向恢複損耗 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
，這是載流子壽命在製造過程中沒有減少和外延 / 襯底界麵空穴濃度高導致的
，因此如何在控製成本的基礎上提高器件特性還有待進一步研究。

除了上述兩種工藝之外，浙江大學於 2018 年首次使用溝槽側壁傾斜離子注入技術研製了 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 SiCTMOS 的電壓等級。TMOS 電壓等級受限於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 R_ON,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複特性。日本 AIST 研究院已研製出目前電壓等級最高的 SiC SJ-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 器件來說設計複雜度更高：一方麵，終端結構同樣需要考慮電荷平衡問題，以保證效率；另一方麵
，由於工藝的繁瑣，終端結構的工藝技術應該盡量與元胞保持一致，以降低工藝複雜度
，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，設計和研製了針對 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 技術合並
，因此不在表中列出。

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 R_ON,sp 和比柵漏電荷 Q_GD,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。

對於高壓 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
，隻適用於平麵型結構，以 Cree 公司的CIMOSFET 產品為代表[26]
，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
，即隻保留溝道上方的柵極多晶矽而去掉 JFET 區上方的部分，如 YOON 等人將 SP 應用於 3.3 kV 等級器件並進行了仿真驗證；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 等人研製了 15 kV 等級 SP 結構器件，柵漏電荷較傳統平麵型降低了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 後器件靜、動態特性的提升。

對於 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，隨後在 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麵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，並進行了靜、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 R_ON,sp 的基礎上進一步降低 Q_GD,sp
，顯著提高器件的 HF-FOM。

表 3 展示了 2 種元胞結構 HF-FOM 優化的部分研究結果。表 3 中隻有文獻[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
、靜態特性並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。

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，其擴散係數較 Si 來說更小
，對於 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。

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，不適用於高壓 SiC 器件。FLR 技術和 JTE 技術被認為更加適用於高壓 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。在實際製造過程中

，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，然而對於高電壓等級特別是 10 kV 及以上等級的 SiC MOSFET laishuo
，wangwangxuyaoshangbaigechanghuan，lilunfenxijibenwufazhidaojiegousheji，erqieshouxianyugongyitiaojian
，huanjianjuwufazuodaoyujisuanzhiyiyangjingque。zhejiuxuyaogenjuxiangguancanshujinxing 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，以及環寬與間距協調配合的結構等。

FLR 技術的問題在於終端麵積較大，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 並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後
，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，從台麵單區 JTE 到多區 JTE，再到空間調製 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，並且其終端區域的利用效率也不斷提高
，如 2018 年 NAKAYAMA 等人利用空間調製 JTE 技術研發出 27.5 kV 等級 4H-SiC PiN 功率二極管。

JTE 技術的核心問題在於終端保護效率對於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，即使精準控製注入劑量也會導致實際激活的劑量不受控製，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 10 kV 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係如圖 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。

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 技術趨向於使用固定的 2 種或多種摻雜劑量，通過調製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製技術和雙區 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%
，劑量窗口大於 1.5×10¹³ cm^-3 。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 等人於 2020 年研製和生產了使用在 13.5 kV 等級 4H-SiC PiN 二極管器件中的一種被稱為電荷場調製 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於傳統雙區 JTE 結構 1.8 倍的劑量窗口。

將 JTE 技術與其他技術進行結合，可以在相同終端麵積下進一步提高保護效率
，如 DAI 等人於 2021年提出的刻蝕溝輔助空間調製 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。

3 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
，這裏對 4 個主要問題進行討論。

3.1 雙極退化效應

高壓 SiC MOSFET 器qi件jian存cun在zai體ti二er極ji管guan結jie構gou，理li論lun上shang可ke以yi取qu代dai外wai接jie反fan並bing聯lian二er極ji管guan並bing降jiang低di電dian路lu寄ji生sheng電dian感gan與yu損sun耗hao。然ran而er在zai雙shuang極ji性xing運yun行xing條tiao件jian下xia，體ti二er極ji管guan的de導dao通tong會hui帶dai來lai雙shuang極ji退tui化hua效xiao應ying，影ying響xiang器qi件jian的de導dao通tong電dian阻zu
、漏電流和體二極管導通壓降等特性，不利於器件的長期工作。

從應用的角度，人們普遍使用同步整流技術以盡量避免體二極管的開通；從器件結構設計的角度
，近年來針對該問題出現了一些致力於將 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 區以降低勢壘並抑製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係。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 由於其單極工作模式，高擊穿電壓將嚴重限製器件的導通電流能力。例如對於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麵積不大，因此 6.5 kV 及以上的單片並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） 製作多芯片並聯模塊以提高電流等級，如 Wolfspeed 研製了 12 個芯片並聯的 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超過 100 A
；3）繼ji續xu改gai進jin外wai延yan技ji術shu，找zhao到dao控kong製zhi外wai延yan缺que陷xian的de新xin技ji術shu。針zhen對dui電dian流liu等deng級ji低di的de問wen題ti，未wei來lai需xu要yao繼ji續xu優you化hua器qi件jian結jie構gou以yi降jiang低di溫wen度du係xi數shu，不bu斷duan改gai進jin關guan鍵jian工gong藝yi技ji術shu以yi降jiang低di缺que陷xian密mi度du，從cong而er進jin一yi步bu提ti升sheng高gao壓ya 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於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），一方麵在工藝過程會產生點缺陷

，另一方麵襯底中的微管、duiduocengcuodengkuozhanquexianhuijinruwaiyanzhong
，yanzhongyingxiangwaiyancengdezhilianghexinpianlianglv。yanjiuxianshi
，duichendibiaomiancaiyongqingkeshidenggongyikeyiyouxiaochuqubiaomiansunshanghebiaomianquexian，duirebishi CVD 的反應室進行改進也可以提高外延的質量和均勻性。國內外已有表麵缺陷小於1 cm^-2 、厚度為 30 μm 的成熟 6 英寸外延片，然而厚度大於 50 μm 時缺陷密度將進一步擴大

，不利於高壓SiC MOSFET 的發展和應用。如何改善工藝條件以控製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製約高壓 SiC MOSFET changqigongzuodeguanjianyinsuzhiyi。zaizhongfuzhapiandianyinglihegaowengongzuohuanjingdezuoyongxia，zhayangjiemianxianjinghuibuduandibuhuohuozheshifangdianhe
，yanzhongyingxiangqijiandecanshuwendingxingheyunxingkekaoxing。yu Si 基器件相比
，高壓 SiC MOSFET 的SiC/SiO₂ 界麵缺陷密度比 Si/SiO₂ 界麵高出約 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 柵氧界麵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麵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(er)者(zhe)的(de)區(qu)別(bie)
，並(bing)討(tao)論(lun)了(le)在(zai)動(dong)態(tai)應(ying)力(li)下(xia)的(de)閾(yu)值(zhi)電(dian)壓(ya)測(ce)量(liang)技(ji)術(shu)。柵(zha)氧(yang)壽(shou)命(ming)也(ye)是(shi)評(ping)價(jia)器(qi)件(jian)長(chang)期(qi)可(ke)靠(kao)性(xing)的(de)重(zhong)要(yao)方(fang)麵(mian)，這(zhe)主(zhu)要(yao)通(tong)過(guo)時(shi)變(bian)介(jie)質(zhi)擊(ji)穿(chuan)實(shi)驗(yan)進(jin)行(xing)表(biao)征(zheng)。有(you)研(yan)究(jiu)顯(xian)示(shi)，在(zai)器(qi)件(jian)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，柵(zha)氧(yang)電(dian)場(chang)強(qiang)度(du)達(da)到(dao) 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於保證係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、短路失效和浪湧失效等。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。白誌強等人對 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(qu)寬(kuan)度(du)降(jiang)低(di)了(le)飽(bao)和(he)電(dian)流(liu)
，以(yi)提(ti)高(gao)雪(xue)崩(beng)能(neng)量(liang)。器(qi)件(jian)的(de)短(duan)路(lu)失(shi)效(xiao)和(he)浪(lang)湧(yong)失(shi)效(xiao)除(chu)了(le)熱(re)失(shi)效(xiao)原(yuan)因(yin)外(wai)

，場(chang)氧(yang)區(qu)斷(duan)裂(lie)或(huo)鋁(lv)熔(rong)化(hua)破(po)壞(huai)柵(zha)氧(yang)導(dao)致(zhi)柵(zha)源(yuan)短(duan)路(lu)也(ye)是(shi)兩(liang)個(ge)原(yuan)因(yin)，這(zhe)對(dui)於(yu)沉(chen)積(ji)、熱氧化工藝也提出了更高的要求。除此之外，由於 SiC 高於 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zhen對dui以yi上shang問wen題ti，如ru何he改gai進jin現xian有you工gong藝yi以yi提ti高gao柵zha氧yang質zhi量liang，如ru何he改gai進jin器qi件jian結jie構gou或huo封feng裝zhuang結jie構gou以yi緩huan解jie熱re失shi效xiao問wen題ti或huo增zeng加jia散san熱re能neng力li，都dou是shi未wei來lai需xu要yao進jin一yi步bu研yan究jiu和he解jie決jue的de問wen題ti。

4 結束語

針對高壓 SiC MOSFET 器(qi)件(jian)，本(ben)文(wen)首(shou)先(xian)回(hui)顧(gu)和(he)總(zong)結(jie)了(le)器(qi)件(jian)發(fa)展(zhan)曆(li)程(cheng)與(yu)該(gai)領(ling)域(yu)中(zhong)的(de)最(zui)新(xin)研(yan)究(jiu)進(jin)展(zhan)，其(qi)次(ci)介(jie)紹(shao)了(le)用(yong)於(yu)優(you)化(hua)品(pin)質(zhi)因(yin)數(shu)的(de)器(qi)件(jian)改(gai)進(jin)結(jie)構(gou)，進(jin)而(er)針(zhen)對(dui)高(gao)電(dian)壓(ya)等(deng)級(ji)要(yao)求(qiu)闡(chan)述(shu)了(le)幾(ji)種(zhong)適(shi)用(yong)於(yu)高(gao)壓(ya)器(qi)件(jian)的(de)終(zhong)端(duan)保(bao)護(hu)結(jie)構(gou)的(de)保(bao)護(hu)機(ji)理(li)與(yu)發(fa)展(zhan)趨(qu)勢(shi)
，最(zui)後(hou)對(dui)高(gao)壓(ya)器(qi)件(jian)當(dang)前(qian)存(cun)在(zai)的(de)瓶(ping)頸(jing)和(he)挑(tiao)戰(zhan)進(jin)行(xing)了(le)討(tao)論(lun)。

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qi件jian得de到dao了le越yue來lai越yue多duo的de機ji構gou和he企qi業ye中zhong科ke研yan工gong作zuo者zhe的de關guan注zhu，發fa展zhan勢shi頭tou越yue來lai越yue猛meng烈lie，這zhe對dui於yu未wei來lai電dian能neng傳chuan輸shu和he變bian換huan應ying用yong方fang麵mian的de發fa展zhan有you著zhe巨ju大da的de推tui動dong作zuo用yong。雖sui然ran受shou到dao國guo外wai對dui我wo國guo先xian進jin半ban導dao體ti材cai料liao和he工gong藝yi上shang的de限xian製zhi，但dan國guo內nei諸zhu多duo高gao校xiao和he科ke研yan機ji構gou仍reng在zai持chi續xu進jin行xing技ji術shu研yan發fa並bing跟gen進jin國guo際ji最zui新xin發fa展zhan方fang向xiang，與yu國guo際ji先xian進jin水shui平ping的de差cha距ju逐zhu漸jian縮suo小xiao，國guo內nei從cong業ye者zhe需xu要yao堅jian持chi吸xi取qu先xian進jin技ji術shu和he經jing驗yan，早zao日ri達da到dao國guo際ji領ling先xian水shui平ping。

來源：內容轉載自「GaN世界」，謝謝。

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