SiC MOSFET有兩種主流技術路線：平面柵和溝槽柵。平面柵更容易實現，溝槽柵則需要更高深的工藝知識。溝槽柵是垂直式SiC-SiO2界面，缺陷率更低，溝道電阻小，在較低柵氧的電場下運行溝槽型器件，仍能得到非常好的性能和較好的氧化層可靠性，這也是英飛凌選擇溝槽柵的重要原因之一。

碳化硅功率半導體的性能潛力眾所周知，且得到從光伏到電動汽車充電，乃至電動汽車驅動等各種應用的證明。然而，從當前高功率碳化硅MOSFET來看，仍存在一個難題：如何選擇一種能平衡性能、魯棒性、可靠性和易用性的設計。

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先進設計項目著眼于面積比導通電阻，將其視為任一技術的基準參數。但其他方面性能也是成功的功率半導體器件重要標準，例如足夠的可靠性。對于不同的應用，這一平衡可能略有差異，因此，合理的器件定義應當保證設計靈活性，以滿足不同的任務需求，無需大量設計工作和設計布局變化。

首先，溝槽柵型的優點為可持續的長期路線圖開拓了道路。歷史表明，幾乎所有現代碳基器件都是溝槽柵型，且已經取代了平面柵型MOSFET，碳化硅業界因此正慢慢從平面柵型向溝槽柵型架構轉變。另外一個重要原因是垂直式SiC Si0?界面的電氣性能更好，這不僅僅是性能特征，也會對可靠性產生積極影響。

在碳化硅 MOSFET中，柵極氧化層可靠性和宇宙射線故障率，共同決定了破壞性應用中故障的FIT率。此外，決定任一技術閾值電壓變化等的重要參數，如溝道尺寸和摻雜，都能在垂直結構中更容易、更準確地控制。

再看柵極氧化層界面質量與可靠性之間的關系，與碳基器件不同的是，碳化硅器件柵極氧化層故障會影響破壞性應用中故障的FIT率。因為碳化硅和柵極氧化層之間的界面質量仍存在多種缺陷，導致高溝道電阻。為降低這一溝道電阻，也為了發揮碳化硅的更好的性能，器件開通時，柵極氧化層上的電場會升高，不幸的是，運行中電場較高會加速器件老化，篩選出所謂雜質缺陷的能力的限制，而這正是導致最終FIT率的主要原因。

但與平面柵型相比，溝槽柵型碳化硅 MOSFET的溝道電阻要小很多。也就是說，在較低柵氧的電場下運行溝槽型器件，仍能得到非常好的性能和較好的氧化層可靠性。

半導體行業始終有個定律——尺寸和功率密度至上。在平面柵型結構中，電流流動需要改變方向，這需要一定的橫向空間來避免擁擠。另外，重要的尺寸溝道長度是橫向的，導致電流流動存在較大的未使用空間，從而限制了減小芯片可能性。在溝槽型結構中，電流以垂直方式直接流動，因而尺寸通道長度也是同方向的，減小了單元尺寸，也就是降低面積比導通電阻，前題是開通時柵極處在相同的運行條件下。

總而言之，盡管碳化硅平面柵型結構簡單，制造成本較低，卻有高溝道電阻，芯片減小受限。碳化硅溝槽型結構溝道電阻低，芯片減小的潛力大于平面柵型結構，但是溝槽型的工藝需要高深的專業知識，并且需要氧化層角落保護。

來源：英飛凌官微

原文始發于微信公眾號（艾邦半導體網）：溝槽柵SiC MOS如何平衡導通電阻與可靠性