具有优异导电性能且抑制了准饱和效应的1200V 4H-SiC沟槽MOSFET

标题：1200V 4H-SiC trench MOSFET with superior figure of merit and suppressed quasi-saturation effect

摘要

本文提出一种具有部分被埋层n区包围的p+屏蔽区的优异性能(FoM)1200V 4H-SiC沟槽MOSFET。在准饱和(QS)状态下，埋层n区抑制由p+屏蔽区形成的耗尽层横向扩展，从而显著改善转移和正向特性。埋层n区扩展JFET区域的电流通路，降低JFET电阻并提高最大跨导(g_fs)，从而有效地抑制了由p+屏蔽区引起的JFET区域的QS效应。此外，还研究了埋层n区的参数对击穿电压(BV)、动态特性和栅氧化物可靠性的影响，以确定优化的器件单元结构。仿真结果表明，具有优化埋层n区的提出器件的特定导通电阻(R_on,sp)降低了19.3%，达到1.63 mΩ•cm²。最大g_fs提高了30%。利用FoM₁(FoM₁=BV²/R_on,sp)来判断BV和R_on,sp之间的折衷关系，该折衷关系提高了20.5%，达到1.45 kV²/mΩ•cm²。

学习知识

品质因数 ₁ (FoM₁) 定义为等式：判断BV与R_on,sp之间的权衡关系，确定优化参数。
$Fo{M}_1=B{V}^2/R_{on,sp}$
品质因数 ₂ (FoM₂) 定义为等式：判断动态特性。
${\mathrm{FoM}}_2=Q_{gd,sp}\cdot {\mathrm{R}}_{\mathrm{on},\mathrm{sp}}$

文章研究了什么

该文章研究了一种设计和优化的1200V级4H-SiC沟道金属氧化物场效应晶体管（MOSFET），通过引入一个埋藏的n区域来改善其性能指标（FoM）并抑制准饱和（QS）效应。

• 埋藏的n区域被引入以限制在QS状态下p+屏蔽区形成的耗尽层的横向扩展，从而改善传输和正向特性。
• 埋藏的n区域扩大了JFET区域的电流通路，降低了JFET电阻，并提高了最大跨导（g_fs），有效抑制了QS效应。
• 研究了埋藏的n区域的参数，如深度、宽度和掺杂浓度，以确定优化的器件单元结构。
• 埋藏的n区域的离子注入过程需要仔细调整，以确保实际的掺杂剖面与优化的剖面相匹配。
• 优化后的器件通过降低19.3%的比导通电阻（R_on,sp）和提高30%的最大跨导（g_fs），从而提高了FoM。
• 优化后的器件表现出最低的Ron,sp和最大的FoM₁，使其成为高压应用的有前景的设计。

文章的创新点

• 该文章提出了一种具有埋藏n区域的1200V级4H-SiC沟道MOSFET，以改善其性能指标（FoM）并抑制准饱和（QS）效应。
• 埋藏的n区域被引入以限制在QS状态下p+屏蔽区形成的耗尽层的横向扩展，从而改善传输和正向特性。
• 埋藏的n区域扩大了JFET区域的电流通路，降低了JFET电阻，并提高了最大跨导（g_fs），有效抑制了QS效应。
• 文章研究了埋藏n区域的参数（如深度、宽度和掺杂浓度）对击穿电压（BV）、动态特性和栅氧可靠性的影响，以确定优化的器件单元结构。
• 仿真结果显示，优化的埋藏n区域设计降低了19.3%的比导通电阻（R_on,sp），并提高了30%的最大跨导（g_fs），从而改善了性能指标（FoM）。

文章的研究方法

• 该文章的研究方法结合了仿真和分析。
• 使用仿真结果研究了埋藏n区域的参数对击穿电压（BV）、动态特性和栅氧可靠性的影响。
• 作者仔细调整了埋藏n区域的离子注入过程，以确保实际的掺杂剖面与优化的剖面相匹配。
• 基于仿真结果评估了优化的埋藏n区域器件的性能，结果显示比导通电阻（Ron,sp）和最大跨导（g_fs）有所改善。
• 作者分析了准饱和（QS）效应的机制，并提出埋藏n区域作为抑制该效应的解决方案。
• 分析了引入埋藏n区域对器件性能的影响，以实现最高的性能指标（FoM₁），同时不严重影响动态特性和栅氧可靠性。

文章的结论

该文章提出了一种具有埋藏n区域的4H-SiC沟道MOSFET，以抑制准饱和（QS）效应并改善器件的性能指标（FoM）。埋藏n区域有助于限制在QS状态下p+屏蔽区形成的耗尽层的横向扩展，从而改善传输和正向特性。它扩大了JFET区域的电流通路，降低了JFET电阻，并提高了最大跨导（g_fs）。仿真结果显示，优化的埋藏n区域设计降低了19.3%的比导通电阻（R_on,sp），并提高了30%的最大跨导（g_fs）。性能指标（FoM₁）提高了20.5%，达到1.45 kV²/mΩ•cm²。所提出的器件结构有效抑制了由JFET区域引起的QS效应。