始于19世紀初期半導體材料的研究至今已經由第一代半導體材料發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除了應用方面的區別，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厚度，要大大小于硅器件，從而SiC器件的漂移區電阻也會減小。這樣的特性，自然也造就了Si MOSFET和SiC MOSFET的不同結構。

傳統的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MOSFET）的結構，

Super junction MOSFET的特點n-漂移區存在極性相反的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, 目前主流結構有兩種：平面型和溝槽型。

目前市面上大多數廠商都采用平面型結構，剖面結構如下所示，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，由幾部分構成：源極金屬接觸電阻、溝道電阻、JFET電阻、漂移區電阻、漏極金屬接觸電阻。設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，因此漂移區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，減少溝道電阻是優化總電阻的關鍵所在。

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。需要強調一下，不是所有的溝槽型MOSFET都是CoolSiC, CoolSiC是英飛凌碳化硅產品的商標。CoolSiC MOSFET具有下圖所示非對稱結構。

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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，不論開通還是關斷狀態下，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用，不容易發生寄生導通。

另外，CoolSiC MOSFET是非對稱的結構，溝槽一側設置了深P阱，包裹了一側的溝槽倒角。在器件承受反壓時，深P阱與N-漂移區之間形成的耗盡區擴展，耗盡區可以包裹住另一側的倒角，從而減輕場強集中的現象。

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基區充當，深P阱的注入濃度和深度都高于P基區，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、可靠性及壽命。

SiGaNSiC-MOSFET以及Si-IGBT對應的工作環境

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 主打高壓領域；GaN MOSFET 主打高頻領域。

根據功率、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雖然在高壓領域具有優勢，但是并不能勝任高頻領域需求；

Si-MOSFET可以勝任高頻領域，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）的最優方案；

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

審核編輯：劉清