始于19世紀初期半導體材料的研究至今已經(jīng)由第一代半導體材料發(fā)展到了第四代半導體材料，其中較為矚目的莫過于第一代半導體材料si和第三代半導體材料sic了。大家是不是都有一樣的好奇：si與sic除了應(yīng)用方面的區(qū)別，它們兩者本身有什么不同呢？下面我們來深度講講。

先來看看Si和SiC材料的差別。

其中最顯著的區(qū)別，莫過于SiC的臨界電場強度是Si的10倍。這意味著，要達到同樣的擊穿電壓，SiC器件所需要的漂移區(qū)厚度，要大大小于硅器件，從而SiC器件的漂移區(qū)電阻也會減小。這樣的特性，自然也造就了Si MOSFET和SiC MOSFET的不同結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)的Si MOSFET是平面型器件

這種器件，如果要達到比較高的耐壓，通常需要增加漂移區(qū)的寬度同時降低摻雜的濃度，這樣會導致導通電阻大幅增加。為了解決耐壓和導通電阻的折中問題，英飛凌CoolMOS系列采用了super junction MOSFET（超結(jié)MOSFET）的結(jié)構(gòu)，

Super junction MOSFET的特點n-漂移區(qū)存在極性相反的N條和P條間隔堆積，這意味著電場不僅存在于垂直方向，也存在于水平方向。它允許使用摻雜率較高的n-漂移層，因此在維持同樣的耐壓情況下，Super junction MOSFET能夠比平面型的MOSFET大大降低器件的導通電阻。

盡管如此，由于材料的桎梏，Super junction MOSFET仍在導通電阻和額定電壓方面落后于 IGBT 和 SiC-MOSFET。高壓器件目前還是以Si IGBT和SiC MOSFET為主。

SiC MOSFET, 目前主流結(jié)構(gòu)有兩種：平面型和溝槽型。

目前市面上大多數(shù)廠商都采用平面型結(jié)構(gòu)，剖面結(jié)構(gòu)如下所示，可以清楚地看到電流路徑上的電阻分布

功率MOSFET的導通電阻，由幾部分構(gòu)成：源極金屬接觸電阻、溝道電阻、JFET電阻、漂移區(qū)電阻、漏極金屬接觸電阻。設(shè)計人員總是要千方百計地降低導通電阻，進而降低器件損耗。對于高壓硅基功率器件來說，為了維持比較高的擊穿電壓，一般需要使用較低摻雜率以及比較寬的漂移區(qū)，因此漂移區(qū)電阻在總電阻中占比較大。

碳化硅材料臨界電場強度是硅的10倍，因此碳化硅器件的漂移區(qū)厚度可以大大降低。對于1200V及以下的器件來說，溝道電阻的成為總電阻中占比最大的部分。因此，減少溝道電阻是優(yōu)化總電阻的關(guān)鍵所在。

再來看溝道電阻的公式。

式中

Lchannel：溝道長度，

Wchannel：溝道寬度，

COX：柵氧電容，

μn,channel：溝道電子遷移率

從上式可以看出，溝道電阻和溝道電子遷移率（μn,channel）成反比。平面型器件的溝道平行于硅片表面，因此硅片表面的SiO2界面質(zhì)量對于溝道電子遷移率有直接的影響。碳化硅材料水平表面上形成的SiC-SiO2界面，缺陷密度要比Si-SiO2高得多，這些缺陷在電子流過會捕獲電子，電子遷移率下降，從而溝道電阻率上升。

如何解決這個問題呢？碳化硅是各向異性的晶體，不同的晶面，其態(tài)密度也是不同的。英飛凌就找到了一個晶面，這個晶面接近垂直于表面，與垂直方向有4°的夾角，在這個晶面上生長SiO2，得到的缺陷密度是最低的。于是，英飛凌溝槽型的CoolSiC MOSFET也就誕生了。需要強調(diào)一下，不是所有的溝槽型MOSFET都是CoolSiC, CoolSiC是英飛凌碳化硅產(chǎn)品的商標。CoolSiC MOSFET具有下圖所示非對稱結(jié)構(gòu)。

duct/power/mosfet/silicon-carbide/?utm_source=zhihu&utm_medium=social&utm_campaign=gc-cn-ipc

CoolSiC MOSFET使用溝槽有什么好處？

首先，垂直晶面缺陷密度低，因而溝道電子遷移率高。所以，我們可以使用相對比較厚的柵極氧化層，同樣實現(xiàn)很低的導通電阻。因為氧化層的厚度比較厚，不論開通還是關(guān)斷狀態(tài)下，它承受的場強都比較低，所以器件可靠性和壽命都更高。

而且，CoolSiC MOSFET閾值電壓約為4.5V，在市面上屬于比較高的值。這樣做的好處是在橋式應(yīng)用，不容易發(fā)生寄生導通。

另外，CoolSiC MOSFET是非對稱的結(jié)構(gòu)，溝槽一側(cè)設(shè)置了深P阱，包裹了一側(cè)的溝槽倒角。在器件承受反壓時，深P阱與N-漂移區(qū)之間形成的耗盡區(qū)擴展，耗盡區(qū)可以包裹住另一側(cè)的倒角，從而減輕場強集中的現(xiàn)象。

深P阱的另一個功能，是作為體二極管的陽極。通常的MOSFET體二極管陽極都是由P基區(qū)充當，深P阱的注入濃度和深度都高于P基區(qū)，可以使體二極管導通壓降更低，抗浪涌能力更強。

因此， 我們可以看出，SiC MOSFET使用溝槽柵能大大提升其參數(shù)、可靠性及壽命。

SiGaNSiC-MOSFET以及Si-IGBT對應(yīng)的工作環(huán)境

Si-MOSFET 、Si-IGBT 、GaN-MOSFET、SiC-MOSFET的電壓、頻率、功率之間的比較如下圖所示：

來源：英飛凌，羅姆半導體

GaN 、SiC很有可能在高壓高頻方面完全取代硅基

SiC MOSFET 主打高壓領(lǐng)域；GaN MOSFET 主打高頻領(lǐng)域。

根據(jù)功率、頻率2個維度我們梳理主流功率器件物理特性及適用場合：

Si-IGBT雖然在高壓領(lǐng)域具有優(yōu)勢，但是并不能勝任高頻領(lǐng)域需求；

Si-MOSFET可以勝任高頻領(lǐng)域，但是對于電壓有一定的限制；

SiC與MOSFET相比完美地解決了硅基中高壓與高頻很難同時實現(xiàn)這一難題，基于與高壓中頻兼容, SiC-MOSFET并以其高效率小體積等特點成為電動汽車，充電樁和光伏逆變器（不考慮成本的話）的最優(yōu)方案；

GaN-MOSFET由于具有超高頻率性能，在5G射頻領(lǐng)域前景廣闊，目前以5G基站PA為主預計將來會擴寬至終端設(shè)備射頻領(lǐng)域（如手機）.另外GaN-MOsFET還在1000V內(nèi)的快充，電動汽車等低電壓和中壓領(lǐng)域具有很大的潛在應(yīng)用價值。

審核編輯：劉清