碳化矽MOSFET在材料與元件特性上不同於傳統矽，如何確保性能與可靠性的平衡是所有廠商需要面對的首要問題，英飛凌作為業界為數不多的採用溝槽柵做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“在哪裡？ 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的裝置結構，以及M1H晶片在可靠性方面的卓越表現。 點擊影片可觀看回放。

(a) SiC是寬禁帶半導體，它的帶隙寬度約是Si的3倍，所帶來的好處是SiC的臨界場強約是Si的10倍。 對於高壓Si基MOSFET來說，漂移區電阻佔總導通電阻的主要成分。 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是雙極性裝置，電子和電洞同時參與導電，關斷時電洞複合產生拖尾電流，增加了關斷損耗。 而SiC MOSFET是單極性元件，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的應用範圍。

(c) SiC材料為裝置設計即帶來了機會也帶來了挑戰。 最大的挑戰在於柵極氧化層界面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，最終威脅到裝置的壽命和可靠性。

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

(b) 根據通道電阻的公式，可以採用以下手段，但會加大可靠性風險：

i. 多元胞並聯導致高成本和高短路電流

ii. 降低柵極氧化層厚度將導致柵極氧化層應力上升，對閘極可靠度造成影響

iii. 提高驅動電壓，同樣會加大柵氧化層應力

iv. 降低閾值電壓，可能會帶來串擾問題

v. 最優的辦法是增加通道載子遷移率un

(c) SiC-SiO2界面態密度和缺陷遠大於Si-SiO2界面，而SiC MOSFET通道載子遷移率相比IGBT偏低。 通道載子遷移率低會導致通道電阻和損耗上升。 SiC是各向異性晶體，垂直晶面上的氧化層缺陷密度小於水平晶面。 可以利用這項特性解決上述難題。

(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面積要顯著大於溝槽柵；如果要 保持相同的晶片面積，為了維持低導通電阻，平面型需要更薄的閘極氧化層，閘氧應力高，可靠性差。

(e) 英飛凌CoolSiC™ MOSFET採用非對稱溝槽柵狀結構，有下列技術點：

i. 通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，因而能確保最高通道載子遷移率

ii. 深P阱作為增強型體二極體，增大二極體的面積與發射效率

iii. 溝型底部轉角承受高電場，深P阱另一個作用是保護溝槽角

iv. JFET區域限制短路電流，增加可靠性。

(a) 英飛凌SiC MOSFET柵氧化層厚度與Si 元件柵氧化層厚度相當。 而平面型SiC MOSFET 柵極氧化層厚度普遍低於溝槽柵。 柵極氧化層的電壓應力與厚度成反比，過高的電場應力使得元件經時擊穿的風險增加。 可透過施加門極階躍電壓的方式來評估柵極氧化層可靠性。 英飛凌CoolSiC™ MOSFET擁有最低的失效率，並且與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。 這是平面型裝置與溝槽型裝置都需要共同面對的難題。 英飛凌最早發現並研究了這個現象。 最新的M1H晶片，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)的相對變化小於6%，175°C時小於3%。

(c) M1H晶片的閾值電壓約4.5V，高於其他競爭對手，並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。

(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。 在閘極15V電壓下，單管具有3us的短路時間，EASY模組具有2us的短路時間。

(b) SiC MOSFET在短路時具有電流飽和的特性，但短路時間往往低於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，使得熱量更集中，從而降低了短路時間。

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