SiC MOSFET学习笔记：各家SiC厂商的MOSFET结构
当前量产主流sic mosfet芯片元胞结构有两大类，是按照栅极沟道的形状来区分的，平面型和沟槽型。
如上图，左边是一颗典型的平面sic mosfet芯片（宏观图）其中g区是栅极焊盘（gate pad），也就是引出栅极引线的地方，起控制作用。
aa是有源区（active area），其中aa的正面是源级区（source），键合源级引线过大电流；
背面是漏极区（drain），右图黑色部分代表背面金属（back metal），一般是钛镍银（tiniag）或者铝硅铜（alsicu）或者镍钯金（nipdau），背面金属焊接到衬板上，电流方向是衬板到芯片背面再到芯片正面再从源级引线出来。
可以看到左边的图中，在有源区aa中有许多条状单元，每个单元大小形状都一模一样，这样的最小功能单元叫元胞，芯片的功能就是由这亿万个元胞来完成的，元胞与元胞之间的中心距离为pitch。
sic mosfet经过几代的发展，目前已经出现从平面栅到沟槽栅的各个版本：
其中平面栅（planar gate）是最早出现的，由于其结构简单，fab工艺难度小，因此其研发难度相对较低，但是由于平面栅的沟道电阻较大，因此在效率方面相比沟槽栅较弱。
相比之下稳定的沟槽栅的出现稍晚，直到2016年，才有稳定的量产方案出来，其中最具有代表性的是日本rohm的双沟槽结构（double trench）和英飞凌的半包沟槽结构（asymmetrical trench）
由于沟槽栅结构相比平面栅结构消除了大部分的jfet效应，因此其沟道电阻较小，通态阻抗相比平面栅结构优势明显。
上图是三家典型的厂商器件结构，其中a家我猜是rohm的双沟槽栅结构，b我猜是cree的平面栅结构，c不用猜，肯定是英飞凌的非对称半包沟槽栅结构。
由上文可知，平面栅性能肯定是不如沟槽的，这个从各家产品的rdson就看得出来，典型的1200v 5*5mm芯片英飞凌大概能做到15mω以下，rohm能做到13mω，cree和st由于是平面栅，即使工艺能力很强，也只能做到17mω。
但是沟槽结构也带来一个问题，就是制造工艺难度大，特别是沟槽底部拐角处，电场强度大，电应力集中，容易产生可靠性问题。高槽角电场在si材料可能风险不大，但是sic材料就容易出问题。
这张图就可以很清晰地看到电场的分布情况，我们知道，电势是场强对距离的积分，同时我们还知道，p-n结会形成耗尽层，并在反偏情况下向外拓展，这就使得电场强度的分布不均匀，尤其是在拐角处。
通过仿真分析可以看出，栅极沟槽拐角处和源级沟槽的拐角处电场强度是非常大的，如果这个场强超过材料本身的临界击穿场强，就会造成击穿，器件失效。
如何解决沟槽栅拐角电场集中的问题？目前常见的方案是添加底部p型掩蔽层（p shield）进行保护，也叫bpw（bottom p well）
如图，a是常规的mos（conventional mos）结构不带p掩蔽层，
b是rohm的双沟槽（double trech）结构形成的源级p掩蔽层
c是定制掩蔽栅（shielded fin）结构，特意在栅极下方形成p掩蔽层
来源：重庆大学蒋华平老师
可以看到，不加任何掩蔽层（保护层）的常规结构a，其沟槽拐角处的电场强度最高，达到了5.87mv/cm。
而b的双沟槽结构通过源级沟槽形成的p掩蔽层，通过改变耗尽层形状，改变了电场方向，缓解了沟槽拐角处的电场集中，场强降到了3.21mv/cm
c的定制化掩蔽栅（shield fin）结构和英飞凌的半包沟槽类似，直接在拐角处添加一个p掩蔽层，对栅极沟槽进行保护，场强降到了2.55mv/cm
最后欣赏下芯片设计美学之 rohm双沟槽 vs 英飞凌半包沟槽：
来源：东南大学zhaoxiang wei老师
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背面是漏极区（drain），右图黑色部分代表背面金属（back metal），一般是钛镍银（tiniag）或者铝硅铜（alsicu）或者镍钯金（nipdau），背面金属焊接到衬板上，电流方向是衬板到芯片背面再到芯片正面再从源级引线出来。
可以看到左边的图中，在有源区aa中有许多条状单元，每个单元大小形状都一模一样，这样的最小功能单元叫元胞，芯片的功能就是由这亿万个元胞来完成的，元胞与元胞之间的中心距离为pitch。
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上图是三家典型的厂商器件结构，其中a家我猜是rohm的双沟槽栅结构，b我猜是cree的平面栅结构，c不用猜，肯定是英飞凌的非对称半包沟槽栅结构。
由上文可知，平面栅性能肯定是不如沟槽的，这个从各家产品的rdson就看得出来，典型的1200v 5*5mm芯片英飞凌大概能做到15mω以下，rohm能做到13mω，cree和st由于是平面栅，即使工艺能力很强，也只能做到17mω。
但是沟槽结构也带来一个问题，就是制造工艺难度大，特别是沟槽底部拐角处，电场强度大，电应力集中，容易产生可靠性问题。高槽角电场在si材料可能风险不大，但是sic材料就容易出问题。
这张图就可以很清晰地看到电场的分布情况，我们知道，电势是场强对距离的积分，同时我们还知道，p-n结会形成耗尽层，并在反偏情况下向外拓展，这就使得电场强度的分布不均匀，尤其是在拐角处。
通过仿真分析可以看出，栅极沟槽拐角处和源级沟槽的拐角处电场强度是非常大的，如果这个场强超过材料本身的临界击穿场强，就会造成击穿，器件失效。
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如图，a是常规的mos（conventional mos）结构不带p掩蔽层，
b是rohm的双沟槽（double trech）结构形成的源级p掩蔽层
c是定制掩蔽栅（shielded fin）结构，特意在栅极下方形成p掩蔽层
来源：重庆大学蒋华平老师
可以看到，不加任何掩蔽层（保护层）的常规结构a，其沟槽拐角处的电场强度最高，达到了5.87mv/cm。
而b的双沟槽结构通过源级沟槽形成的p掩蔽层，通过改变耗尽层形状，改变了电场方向，缓解了沟槽拐角处的电场集中，场强降到了3.21mv/cm
c的定制化掩蔽栅（shield fin）结构和英飞凌的半包沟槽类似，直接在拐角处添加一个p掩蔽层，对栅极沟槽进行保护，场强降到了2.55mv/cm
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