SiC MOSFET的短沟道效应
原文标题：practical aspects and body diode robustness of a 1200 v sic trench mosfet
原文作者：thomas basler
原文发表在 pcim europe 2018, 5 – 7 june 2018, nuremberg
si igbt和sic沟槽mosfet之间有许多电气及物理方面的差异，practical aspects and body diode robustness of a 1200v sic trench mosfet 这篇文章主要分析了在sic mosfet中比较明显的短沟道效应、vth滞回效应、短路特性以及体二极管的鲁棒性。直接翻译不免晦涩难懂，不如加入自己的理解，重新梳理一遍，希望能给大家带来更多有价值的信息。今天我们着重看下第一部分——短沟道效应。
si igbt/mosfet与sic mosfet，尽管衬底材料不一样，但是形成栅极氧化层的材料却是一样的——都是sio2。sic-sio2界面缺陷大于si-sio2界面，界面缺陷会降低反型层沟道迁移率，进而提高沟道电阻。对于sic mosfet，尽管人们花了很多精力来提高沟道迁移率，但其迁移率仍然远远低于硅的igbt/mosfet。
因此，商用sic mosfet会设计成具有相对较短的反型层沟道，以尽量减少其沟道电阻。对于1200v的sic mosfet来说，沟道电阻对整个rds,on的贡献最大，这与高压si mosfet完全不同。此外，对于沟槽mosfet，由于sic漂移区厚度较低，基极掺杂较高，因此沟道区附近的电场强度（特别是在开关期间）比si mosfet高。为了保护栅极氧化物，必须有一个屏蔽结构，这在所有现代sic mosfet概念中都可以找到。与硅器件相比，上述效应导致了更明显的漏极势垒降低效应（dibl-或短沟道效应）。dibl效应的原理大家可以在百度搜到，这里就不再赘述了。dibl效应造成的明显的现象是——随着漏极-源极电压vds的增加，栅-源极阈值电压vgs（th）会随之降低，见图1。
fig.1:不同制造商1200v sic mosfet的vgs(th)曲线，infineon-沟槽,m1-沟槽,m2-平面
dibl效应和栅极电荷
由于上述的dibl效应，与igbt相比，sic mosfet的输出特性看起来有所不同。在相同vgs条件下，器件的饱和电流随vds上升而上升。见图2。
图2：45mω、1200v sic沟槽mosfet在25°c时不同vgs下的输出特性曲线。该特性是在短路状态下，通过非常短的脉冲测量的，并在考虑到测量期间温度上升的情况。
硅igbt通常使用更长的反型沟道，沟道电阻对静态损耗来说是次要的。阻断状态下的电场较小，因此，dibl效应较低，饱和电流不会随ds电压上升而变化太大。下图（左）是igbt的输出特性曲线，可以看到，线性区和饱和区之间的分界点很清楚，曲线进入饱和状态之后的部分非常平坦，而sic mosfet的分界点则没那么明显，即使进入饱和状态，电流曲线仍有一定斜率的上升。
典型的igbt输出特性曲线（左）与sic mosfet输出特性曲线（右）
由于sic-mos器件的vgs(th)随着漏极电压的增加而减少，饱和电流id,sat上升得更明显，原因可参见以下公式，可以看到，饱和电流与过驱动电压（vgs-vgsth）的平方成正比。
其中k为一个常数
w-沟道宽度,µn-电子迁移率,cox–栅氧化层电容,l–沟道长度
对系统进行短路保护设计必须考虑dibl的影响。例如，我们需要知道直流母线电压下的退饱和电流水平。在器件设计中，可以通过更有效的p-屏蔽结构和更长的沟道来减少dibl效应。然而，这两个参数也可能导致更高的rds,on。
dibl的第二个效应可以通过图3中的栅极电荷曲线来观察。vds变化期间的vgs是一个斜坡，而igbt的典型栅极电荷曲线，这时是一个恒定的vgs值。
栅极电荷曲线对比：igbt与sic mosfet
因此，在计算重要参数qgd时，使用斜坡时间段是不正确的。更合适的方法是将vds波形与qg特性叠加在同一张图上，并如图3所示设置取值范围（取10%vds~97%vds）。
图3：英飞凌45mω/1200v芯片的栅极电荷特性（蓝色），在800v、20a、25°c、vgs-5v→15v的情况下，开通时测量，利用vds（红色）波形提取qgd
这其实是在对测得的小信号电容cgd进行积分。
上述方法可得45mω器件qgd为13nc。从图3中还可以提取使vgs达到阈值水平所需的电荷（qgs,th，约18nc），可以发现qgd/qgs,th之比小于1。这有助于抑制寄生导通，即在vds快速变化的情况下，通过cgd给栅极充电的电荷量，小于使栅极电压vgs抬升至阈值vgsth的电荷量。
总结一下，商业化的sic mosfet普遍采用短沟道设计，用来降低导通电阻，这使得dibl（漏致势垒降低效应）比较明显。sic mosfet中的dibl效应首先表现在饱和电流随vds上升而上升，其次表现在栅极电荷曲线中的米勒平台段呈斜线。从图中计算得出sic的qgd需要将vds与栅极电荷曲线叠加在一起，通过限定边界条件的方式得出。
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原文作者：thomas basler
原文发表在 pcim europe 2018, 5 – 7 june 2018, nuremberg
si igbt和sic沟槽mosfet之间有许多电气及物理方面的差异，practical aspects and body diode robustness of a 1200v sic trench mosfet 这篇文章主要分析了在sic mosfet中比较明显的短沟道效应、vth滞回效应、短路特性以及体二极管的鲁棒性。直接翻译不免晦涩难懂，不如加入自己的理解，重新梳理一遍，希望能给大家带来更多有价值的信息。今天我们着重看下第一部分——短沟道效应。
si igbt/mosfet与sic mosfet，尽管衬底材料不一样，但是形成栅极氧化层的材料却是一样的——都是sio2。sic-sio2界面缺陷大于si-sio2界面，界面缺陷会降低反型层沟道迁移率，进而提高沟道电阻。对于sic mosfet，尽管人们花了很多精力来提高沟道迁移率，但其迁移率仍然远远低于硅的igbt/mosfet。
因此，商用sic mosfet会设计成具有相对较短的反型层沟道，以尽量减少其沟道电阻。对于1200v的sic mosfet来说，沟道电阻对整个rds,on的贡献最大，这与高压si mosfet完全不同。此外，对于沟槽mosfet，由于sic漂移区厚度较低，基极掺杂较高，因此沟道区附近的电场强度（特别是在开关期间）比si mosfet高。为了保护栅极氧化物，必须有一个屏蔽结构，这在所有现代sic mosfet概念中都可以找到。与硅器件相比，上述效应导致了更明显的漏极势垒降低效应（dibl-或短沟道效应）。dibl效应的原理大家可以在百度搜到，这里就不再赘述了。dibl效应造成的明显的现象是——随着漏极-源极电压vds的增加，栅-源极阈值电压vgs（th）会随之降低，见图1。
fig.1:不同制造商1200v sic mosfet的vgs(th)曲线，infineon-沟槽,m1-沟槽,m2-平面
dibl效应和栅极电荷
由于上述的dibl效应，与igbt相比，sic mosfet的输出特性看起来有所不同。在相同vgs条件下，器件的饱和电流随vds上升而上升。见图2。
图2：45mω、1200v sic沟槽mosfet在25°c时不同vgs下的输出特性曲线。该特性是在短路状态下，通过非常短的脉冲测量的，并在考虑到测量期间温度上升的情况。
硅igbt通常使用更长的反型沟道，沟道电阻对静态损耗来说是次要的。阻断状态下的电场较小，因此，dibl效应较低，饱和电流不会随ds电压上升而变化太大。下图（左）是igbt的输出特性曲线，可以看到，线性区和饱和区之间的分界点很清楚，曲线进入饱和状态之后的部分非常平坦，而sic mosfet的分界点则没那么明显，即使进入饱和状态，电流曲线仍有一定斜率的上升。
典型的igbt输出特性曲线（左）与sic mosfet输出特性曲线（右）
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