SiC MOSFET真的有必要使用沟槽栅吗？
众所周知，“挖坑”是英飞凌的祖传手艺。在硅基产品时代，英飞凌的沟槽型igbt（例如trenchstop系列）和沟槽型的mosfet就独步天下。在碳化硅的时代，市面上大部分的sic mosfet都是平面型元胞，而英飞凌依然延续了沟槽路线。难道英飞凌除了“挖坑”，就不会干别的了吗？非也。因为sic材料独有的特性，sic mosfet选择沟槽结构，和igbt是完全不同的思路。咱们一起来捋一捋。
mosfet全称金属-氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)。mosfet的简化结构如下图所示：硅片表面生长一层薄薄的氧化层，其上覆盖多晶硅形成门极，门极两侧分别是n型注入的源极和漏极。当门极上施加的电压高于阈值电压时，门极氧化层下面就形成了强反型层沟道。这时再给漏源极之间施加一个正压，电子就可以从源极经过反型层沟道，源源不断地流到漏极。电流就这样形成了。
功率mosfet为了维持较高的击穿电压，将漏极放在芯片背面，整个漂移层承受电压。功率mosfet的导通电阻，由几部分构成：源极金属接触电阻、沟道电阻、jfet电阻、漂移区电阻、漏极金属接触电阻。设计人员总是要千方百计地降低导通电阻，进而降低器件损耗。对于高压硅基功率器件来说，为了维持比较高的击穿电压，一般需要使用较低掺杂率以及比较宽的漂移区，因此漂移区电阻在总电阻中占比较大。碳化硅材料临界电场强度约是硅的10倍，因此碳化硅器件的漂移区厚度可以大大降低。对于1200v及以下的碳化硅器件来说，沟道电阻的成为总电阻中占比最大的部分。因此，减少沟道电阻是优化总电阻的关键所在。
再来看沟道电阻的公式。
式中：
lchannel：沟道长度，
wchannel：沟道宽度，
cox：栅氧电容，
μn,channel：沟道电子迁移率
从上式可以看出，沟道电阻和沟道电子迁移率（μn,channel）成反比。沟道形成于sio2界面处，因此sio2界面质量对于沟道电子迁移率有直接的影响。通俗一点说，电子在沟道中流动，好比汽车在高速公路上行驶。路面越平整，车速就越快。如果路面全是坑，汽车就不得不减速。而不幸的是，碳化硅材料形成的sic-sio2界面，缺陷密度要比si-sio2高得多。这些缺陷在电子流过会捕获电子，电子迁移率下降，从而沟道电阻率上升。
平面型器件怎么解决这个问题呢？再看一下沟道电阻的公式，可以看到有几个简单粗暴的办法：提高栅极电压vgs，或者降低栅极氧化层厚度，或者降低阈值电压vth。前两个办法，都会提高栅极氧化层中的电场强度，但太高的电场强度不利于器件的长期可靠性(栅氧化层的击穿电压一般是10mv/cm，但4mv/cm以上的场强就会提高器件长期潜在失效率)。如果器件的阈值电压vth太低，在实际开关过程中，容易发生寄生导通。更严重的是，阈值电压vth会随着温度的升高而降低，高温下的寄生导通问题会更明显。
平面型sic mosfet栅氧薄弱点
好像进入到一个进退两难的境地了？别忘了，碳化硅是各向异性的晶体，不同的晶面，其态密度也是不同的。英飞凌就找到了一个晶面，这个晶面与垂直方向有4°的夹角，在这个晶面上生长sio2, 得到的缺陷密度是最低的。这个晶面接近垂直于表面，于是，英飞凌祖传的”挖坑”手艺，就派上用场了。coolsic mosfet也就诞生了。需要强调一下，不是所有的沟槽型mosfet都是coolsic! coolsic是英飞凌碳化硅产品的商标。coolsic mosfet具有下图所示非对称结构。
✦+
+
coolsic mosfet使用沟槽有什么好处？
首先，垂直晶面缺陷密度低，沟道电子迁移率高。所以，我们可以使用相对比较厚的栅极氧化层，同样实现很低的导通电阻。因为氧化层的厚度比较厚，不论开通还是关断状态下，它承受的场强都比较低，所以器件可靠性和寿命都更高。下图比较了英飞凌coolsic mosfet与硅器件，以及其它品牌sic mosfet的栅氧化层厚度对比。可以看到，coolsic mosfet 栅氧化层厚度为70nm，与si器件相当。而其它平面型sic mosfet栅氧化层厚度最大仅为50nm。如果施加同样的栅极电压，平面型的sic mosfet栅氧化层上的场强就要比沟槽型的器件增加30%左右。
而且，coolsic mosfet阈值电压约为4.5v，在市面上属于比较高的值。这样做的好处是在桥式应用中，不容易发生寄生导通。下图比较了英飞凌coolsic mosfet与其它竞争对手的阈值电压，以及在最恶劣工况下，由米勒电容引起的栅极电压过冲。如果米勒电压过冲高于阈值电压，意味着可能发生寄生导通。英飞凌coolsic 器件的米勒电压低于阈值电压，实际应用中一般不需要米勒钳位，节省驱动电路设计时间与成本。
要说给人挖坑容易，给sic“挖坑”，可就没那么简单了。碳化硅莫氏硬度9.5，仅次于金刚石。在这么坚硬的材料上不光要挖坑，还要挖得光滑圆润。这是因为，沟槽的倒角处，是电场最容易集中的地方，coolsic 不光完美处理了倒角，还上了双保险，在沟槽一侧设置了深p阱。在器件承受反压时，深p阱可以包裹住沟槽的倒角，从而减轻电场集中的现象。
深p阱的另一个功能，是作为体二极管的阳极。通常的mosfet体二极管阳极都是由p基区充当，深p阱的注入浓度和深度都高于p基区，可以使体二极管导通压降更低，抗浪涌能力更强。
好的，coolsic mosfet就先介绍到这里了。coolsic mosfet不是单纯的沟槽型mosfet，它在独特的晶面上形成沟道，并且有非对称的深p阱结构，这使得coolsic mosfet具有较低的导通电阻，与si器件类似的可靠性，以及良好的体二极管特性。
✦+
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再来概括一下全文内容：
为什么需要沟槽型sic mosfet？
我需要sic mosfet具有比较低的导通电阻rdson→我不能单纯地提高栅极电压，降低阈值电压或者降低栅氧化层的厚度，这样可能使器件寿命下降→我找到一个垂直的晶面，它具有最低的缺陷率，从而允许更高的沟道电子迁移率→开始“挖坑”
沟槽型coolsic mosfet有什么好处？
导通电阻低，芯片面积小
阈值电压高，米勒电容小，不易发生寄生导通。
非对称的深p阱结构缓解沟槽拐角处电场，另外形成增强型的体二极管结构，优化了二极管特性。
与si igbt相当的栅极氧化层厚度，寿命及可靠性与si器件相当
能过总结我们可以看出，sic mosfet使用沟槽栅能大大提升器件参数、可靠性及寿命。
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功率mosfet为了维持较高的击穿电压，将漏极放在芯片背面，整个漂移层承受电压。功率mosfet的导通电阻，由几部分构成：源极金属接触电阻、沟道电阻、jfet电阻、漂移区电阻、漏极金属接触电阻。设计人员总是要千方百计地降低导通电阻，进而降低器件损耗。对于高压硅基功率器件来说，为了维持比较高的击穿电压，一般需要使用较低掺杂率以及比较宽的漂移区，因此漂移区电阻在总电阻中占比较大。碳化硅材料临界电场强度约是硅的10倍，因此碳化硅器件的漂移区厚度可以大大降低。对于1200v及以下的碳化硅器件来说，沟道电阻的成为总电阻中占比最大的部分。因此，减少沟道电阻是优化总电阻的关键所在。
再来看沟道电阻的公式。
式中：
lchannel：沟道长度，
wchannel：沟道宽度，
cox：栅氧电容，
μn,channel：沟道电子迁移率
从上式可以看出，沟道电阻和沟道电子迁移率（μn,channel）成反比。沟道形成于sio2界面处，因此sio2界面质量对于沟道电子迁移率有直接的影响。通俗一点说，电子在沟道中流动，好比汽车在高速公路上行驶。路面越平整，车速就越快。如果路面全是坑，汽车就不得不减速。而不幸的是，碳化硅材料形成的sic-sio2界面，缺陷密度要比si-sio2高得多。这些缺陷在电子流过会捕获电子，电子迁移率下降，从而沟道电阻率上升。
平面型器件怎么解决这个问题呢？再看一下沟道电阻的公式，可以看到有几个简单粗暴的办法：提高栅极电压vgs，或者降低栅极氧化层厚度，或者降低阈值电压vth。前两个办法，都会提高栅极氧化层中的电场强度，但太高的电场强度不利于器件的长期可靠性(栅氧化层的击穿电压一般是10mv/cm，但4mv/cm以上的场强就会提高器件长期潜在失效率)。如果器件的阈值电压vth太低，在实际开关过程中，容易发生寄生导通。更严重的是，阈值电压vth会随着温度的升高而降低，高温下的寄生导通问题会更明显。
平面型sic mosfet栅氧薄弱点
好像进入到一个进退两难的境地了？别忘了，碳化硅是各向异性的晶体，不同的晶面，其态密度也是不同的。英飞凌就找到了一个晶面，这个晶面与垂直方向有4°的夹角，在这个晶面上生长sio2, 得到的缺陷密度是最低的。这个晶面接近垂直于表面，于是，英飞凌祖传的”挖坑”手艺，就派上用场了。coolsic mosfet也就诞生了。需要强调一下，不是所有的沟槽型mosfet都是coolsic! coolsic是英飞凌碳化硅产品的商标。coolsic mosfet具有下图所示非对称结构。
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coolsic mosfet使用沟槽有什么好处？
首先，垂直晶面缺陷密度低，沟道电子迁移率高。所以，我们可以使用相对比较厚的栅极氧化层，同样实现很低的导通电阻。因为氧化层的厚度比较厚，不论开通还是关断状态下，它承受的场强都比较低，所以器件可靠性和寿命都更高。下图比较了英飞凌coolsic mosfet与硅器件，以及其它品牌sic mosfet的栅氧化层厚度对比。可以看到，coolsic mosfet 栅氧化层厚度为70nm，与si器件相当。而其它平面型sic mosfet栅氧化层厚度最大仅为50nm。如果施加同样的栅极电压，平面型的sic mosfet栅氧化层上的场强就要比沟槽型的器件增加30%左右。
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