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當(dāng)前量產(chǎn)主流SiC MOSFET芯片元胞結(jié)構(gòu)有兩大類，是按照柵極溝道的形狀來區(qū)分的，平面型和溝槽型。

如上圖，左邊是一顆典型的平面SiC MOSFET芯片（宏觀圖）其中G區(qū)是柵極焊盤（gate pad），也就是引出柵極引線的地方，起控制作用。

【資料圖】

AA是有源區(qū)（active area），其中AA的正面是源級區(qū)（source），鍵合源級引線過大電流；

背面是漏極區(qū)（drain），右圖黑色部分代表背面金屬（back metal），一般是鈦鎳銀（TiNiAg）或者鋁硅銅（AlSiCu）或者鎳鈀金（NiPdAu），背面金屬焊接到襯板上，電流方向是襯板到芯片背面再到芯片正面再從源級引線出來。

可以看到左邊的圖中，在有源區(qū)AA中有許多條狀單元，每個單元大小形狀都一模一樣，這樣的最小功能單元叫元胞，芯片的功能就是由這億萬個元胞來完成的，元胞與元胞之間的中心距離為pitch。

SiC MOSFET經(jīng)過幾代的發(fā)展，目前已經(jīng)出現(xiàn)從平面柵到溝槽柵的各個版本：

其中平面柵（planar gate）是最早出現(xiàn)的，由于其結(jié)構(gòu)簡單，fab工藝難度小，因此其研發(fā)難度相對較低，但是由于平面柵的溝道電阻較大，因此在效率方面相比溝槽柵較弱。

相比之下穩(wěn)定的溝槽柵的出現(xiàn)稍晚，直到2016年，才有穩(wěn)定的量產(chǎn)方案出來，其中最具有代表性的是日本Rohm的雙溝槽結(jié)構(gòu)（Double Trench）和英飛凌的半包溝槽結(jié)構(gòu)（Asymmetrical Trench）

由于溝槽柵結(jié)構(gòu)相比平面柵結(jié)構(gòu)消除了大部分的JFET效應(yīng)，因此其溝道電阻較小，通態(tài)阻抗相比平面柵結(jié)構(gòu)優(yōu)勢明顯。

上圖是三家典型的廠商器件結(jié)構(gòu)，其中A家我猜是Rohm的雙溝槽柵結(jié)構(gòu)，B我猜是Cree的平面柵結(jié)構(gòu)，C不用猜，肯定是英飛凌的非對稱半包溝槽柵結(jié)構(gòu)。

由上文可知，平面柵性能肯定是不如溝槽的，這個從各家產(chǎn)品的Rdson就看得出來，典型的1200V 5*5mm芯片英飛凌大概能做到15mΩ以下，Rohm能做到13mΩ，Cree和ST由于是平面柵，即使工藝能力很強，也只能做到17mΩ。

但是溝槽結(jié)構(gòu)也帶來一個問題，就是制造工藝難度大，特別是溝槽底部拐角處，電場強度大，電應(yīng)力集中，容易產(chǎn)生可靠性問題。高槽角電場在Si材料可能風(fēng)險不大，但是SiC材料就容易出問題。

這張圖就可以很清晰地看到電場的分布情況，我們知道，電勢是場強對距離的積分，同時我們還知道，P-N結(jié)會形成耗盡層，并在反偏情況下向外拓展，這就使得電場強度的分布不均勻，尤其是在拐角處。

通過仿真分析可以看出，柵極溝槽拐角處和源級溝槽的拐角處電場強度是非常大的，如果這個場強超過材料本身的臨界擊穿場強，就會造成擊穿，器件失效。

如何解決溝槽柵拐角電場集中的問題？目前常見的方案是添加底部P型掩蔽層（P Shield）進(jìn)行保護(hù)，也叫BPW（bottom P well）

如圖，a是常規(guī)的MOS（conventional MOS）結(jié)構(gòu)不帶P掩蔽層，

b是Rohm的雙溝槽（Double trech）結(jié)構(gòu)形成的源級P掩蔽層

c是定制掩蔽柵（shielded fin）結(jié)構(gòu)，特意在柵極下方形成P掩蔽層

來源：重慶大學(xué)蔣華平老師

可以看到，不加任何掩蔽層（保護(hù)層）的常規(guī)結(jié)構(gòu)a，其溝槽拐角處的電場強度最高，達(dá)到了5.87MV/cm。

而b的雙溝槽結(jié)構(gòu)通過源級溝槽形成的P掩蔽層，通過改變耗盡層形狀，改變了電場方向，緩解了溝槽拐角處的電場集中，場強降到了3.21MV/cm

c的定制化掩蔽柵（shield fin）結(jié)構(gòu)和英飛凌的半包溝槽類似，直接在拐角處添加一個P掩蔽層，對柵極溝槽進(jìn)行保護(hù)，場強降到了2.55MV/cm

最后欣賞下芯片設(shè)計美學(xué)之 Rohm雙溝槽 VS 英飛凌半包溝槽：

來源：東南大學(xué)Zhaoxiang Wei老師

審核編輯：湯梓紅