碳化硅(SiC)作為第三代半導(dǎo)體材料的代表性材料，下圖1展示了SiC的材料優(yōu)勢(shì)，相較于 Si，SiC 具有更高的禁帶寬度，使 SiC 器件的工作溫度可達(dá) 300℃以上(傳統(tǒng) Si 器件為150 ℃)，適用于高溫環(huán)境；此外，高禁帶寬度使 SiC 的本征載流子濃度更低，從而大幅減小了器件的漏電流。SiC 具有更高的熱導(dǎo)率，使 SiC 器件在相同散熱系統(tǒng)下可耗散掉更高的熱量，從而提升功率密度;同時(shí) SiC 的高熱導(dǎo)率有助于優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)，從而增強(qiáng)器件在高功率應(yīng)用中的穩(wěn)定性。

SiC 的飽和電子漂移速度是 Si 的兩倍，使電子在 SiC 器件中的響應(yīng)速度更快，從而支持器件在更高頻率下穩(wěn)定工作。SiC 憑借其高臨界電場(chǎng)和寬禁帶特性，顯著提升了器件阻斷電壓，相同芯片尺寸下，其阻斷電壓遠(yuǎn)超 Si 器件。同時(shí)，在相同阻斷電壓時(shí)，SiC 器件導(dǎo)通電阻更低，有效降低了靜態(tài)損耗。此外，SiC 作為寬禁帶材料，具有獨(dú)特的工藝優(yōu)勢(shì)，能夠通過熱氧化生成二氧化硅(SiO2) 層，使得其制造工藝與硅基器件高度兼容，降低了技術(shù)升級(jí)的難度和成本，使其在電力電子器件領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注。

圖1 SiC, Si, GaN參數(shù)對(duì)比

SiC功率MOSFET內(nèi)部晶胞單元的結(jié)構(gòu)，主要有二種：平面結(jié)構(gòu)和溝槽結(jié)構(gòu)，如下圖2所示。溝槽結(jié)構(gòu)MOSFET相對(duì)于傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)MOSFET有更低的導(dǎo)通損耗、更好的開關(guān)性能、提高晶圓密度并可避免寄生JFET效應(yīng)的產(chǎn)生，近年來備受關(guān)注。溝槽結(jié)構(gòu)SiC MOSFET最主要的問題在于，由于器件工作在高壓狀態(tài)，內(nèi)部的工作電場(chǎng)強(qiáng)度高，尤其是溝槽底部，工作電場(chǎng)強(qiáng)度非常更高，很容易在局部超過最大的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度，從而產(chǎn)生局部的擊穿，影響器件工作的可靠性，如下圖3所示。業(yè)界為了解決以上問題，演繹出了幾種改進(jìn)結(jié)構(gòu)，槽底屏蔽區(qū)結(jié)構(gòu)、雙溝槽結(jié)構(gòu)、不對(duì)稱屏蔽區(qū)結(jié)構(gòu)、加厚柵介質(zhì)結(jié)構(gòu)以及兩側(cè)屏蔽區(qū)結(jié)構(gòu)。

圖2 溝槽結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)SiC MOSFET

圖3 SiC MOSFET內(nèi)部電場(chǎng)分布

總結(jié)來說，調(diào)節(jié)SiC性能的關(guān)鍵在于通過合適的間距、合適參數(shù)的屏蔽區(qū)，調(diào)節(jié)溝槽底部的電場(chǎng)分布以及分擔(dān)柵介質(zhì)電場(chǎng)，確保器件可靠性，同時(shí)不至于明顯導(dǎo)通電阻。