标题：A New 4H-SiC Trench MOSFET With Improved Reverse Conduction, Breakdown, and Switching Characteristics

阅读日期：2023.07.23

研究了什么

该文提出并通过TCAD模拟研究了一种带有集成MOS通道二极管（MCD）的SiC MOSFET，其源沟槽是凹陷的。MCD具有短通道特性，通道长度可以通过改变凹陷深度来调整。由于漏极诱导的势垒降低效应，形成了一个低势垒，使电子能够顺利流过JFET区域到达N+源区域，成功消除了寄生体pn结二极管的双极性退化。此外，凹陷源槽引入了额外的耗尽区，并使OFF态电场分布均匀。因此，得到了低栅-漏电容和高击穿电压（BV）。模拟结果表明，与集成自组装三级保护肖特基障碍二极管的SiC沟槽MOSFET相比，所提出的SiC MOSFET可以实现78.7%的栅-漏电容降低和24.4%的BV改善。

文章创新点

在所提出的SiC MOSFET中，在凹陷源极蚀刻之后注入的是N+源极而不是P+接触。形成一个由N+源、凹陷源槽、P基区和N型层组成的MCD。显然，MCD天然具有短通道特性，通道长度可以通过改变源接触的凹陷深度来调整。
引入的凹陷源极沟槽还显著减少了所提出的SiC MOSFET中的沟槽台面和P+屏蔽台面。得益于P+屏蔽区的小台面，N层（DNL）的掺杂浓度可以显著增加，以降低JFET电阻，而不会牺牲BV以及栅极氧化物层（EOX）处的最大电场。此外，当漏极电压为正时，源极沟槽沿着JFET区域具有耗尽效应，并且其在降低耗尽区域电容、显著降低栅极到漏极电容方面具有很大优点。

A few crucial models are taken into account, including Shockley–Read–Hall recombination, Auger recombination, Okuto–Crowell impact ionization, incomplete dopant ionization, doping-dependent transport, band narrowing, barrier lowering, anisotropic material properties, and nonlocal tunneling.

Shockley-Read-Hall复合模型：这个模型是描述半导体能级和杂质能级之间电荷转移和复合的模型，主要用于描述半导体器件中的载流子寿命和注入效率。

Auger复合模型：该模型描述了当一个载流子与另一个载流子和空穴复合时，能量被转移给第三个载流子的过程。这个模型通常用于描述高载流子密度下的复合效应。

Okuto-Crowell冲击电离模型：该模型描述了当载流子被加速到一定能量时，它们可以通过与原子的碰撞而激发出价带电子的过程。这个模型通常用于描述击穿效应。

不完全杂质离子化模型：该模型考虑了杂质离子化的不完全性，这意味着在半导体材料中只有一部分杂质被离子化，其余部分则处于中性状态。这个模型通常用于描述掺杂浓度较高的半导体。

掺杂依赖的输运模型：该模型考虑了掺杂对半导体导电性能的影响，通常用于描述高掺杂浓度下的半导体器件。

带宽缩窄模型：该模型描述了在高载流子密度下，带隙可能会缩小的现象，这通常会导致器件性能的下降。

势垒降低模型：该模型描述了在高电场下，势垒可能会降低的现象，这通常会导致器件的电性能下降。

各向异性材料特性模型：该模型考虑了材料在不同方向上的性能差异，通常用于描述具有各向异性的材料的器件。

非局域隧穿模型：该模型考虑了电子在空间上的非局域性，通常用于描述非均匀场下的电子隧穿现象。

Mobility models with doping dependence, high field saturation, and enormal are also taken into consideration. Acceptor and donor traps in the P-type region and the contact resistance, which have been confirmed to be important in suppressing the body diode current in the third quadrant conduction, are considered according to the report in [32]. The SiC/SiO₂ interface trap is set to 1 × 10¹² cm⁻², and the other parameters of the material and models are adapted according to our calibrated work in [26].

掺杂依赖的迁移率模型：该模型考虑了半导体迁移率与掺杂浓度的关系，通常用于描述高掺杂浓度下的半导体器件。

高场饱和模型：该模型描述了在高电场下，半导体迁移率会饱和的现象，通常用于描述高电场下的器件性能。

能带非正常性模型：该模型描述了在非均匀场下，能带会发生非正常的弯曲，这通常会影响器件的性能。

P型区中的受主和供体陷阱以及接触电阻模型：该模型考虑了P型区中的受主和供体陷阱以及接触电阻对器件性能的影响，这在抑制第三象限导通中的寄生体二极管电流方面非常重要。

SiC/SiO₂界面陷阱模型：该模型考虑了SiC/SiO2界面陷阱对器件性能的影响，通常用于描述半导体器件中界面陷阱的特性。

文章的研究方法

根据BV和R_on，sp（L_Chd=0.2µm），DNL对所研究的两个SiC MOSFET的影响。

（a）ITS-TMOS和（b）提出的SiC MOSFET在击穿发生时的电场分布。

研究了两种SiC MOSFET的阻挡特性。

反向电流密度为800 A/cm²（V_GS=−5 V）时（a）ITS-TMOS和（b）建议的SiC MOSFET的总电流分布。

研究的两个MOSFET的反向导通I-V曲线。

两个研究的SiC MOSFET的电容特性。

ITS-TMOS和所提出的SiC MOSFET的栅极电荷。
插入的图片显示了测试电路配置。

（a） 模拟开关波形和（b）所研究的两个SiC MOSFET的开关损耗。

I_DS和T_max（器件的最大晶格温度）。

所提出的SiC MOSFET的一种可用的制造工艺。
（a） P基极和P+形成。（b） 源极接触蚀刻。（c） N+源形成。（d） 沟槽蚀刻和P+屏蔽区形成。（e） 沟槽氧化、多晶硅沉积和回蚀。（f） 金属镀层。

文章得出的结论

该文提出了一种新型的1200V凹陷源槽SiC MOSFET，具有集成MCD结构，并通过数值模拟进行了验证。MCD具有低割入电压，能够使寄生体pn结二极管失效，从而消除双极性退化。引入凹陷源槽还改善了栅氧可靠性、开关性能和短路耐受时间。因此，巴利加的性能指标和高频性能指标得到了提高，这使得所提出的SiC MOSFET成为了一种极具前景的无外置二极管功率电子应用和高频操作的候选器件。