Page 22 - 第三代半導體明日之星---碳化矽功率元件近況與展望

COVER STORY
蕭特基位障二極體(SBD)
金氧半場效應電晶體 (MOSFET)
100cm2/V-sec以上，是各大廠商以 及學術機構努力的方向。
分離式的功率元件，基本上分 成整流用途的二極體以及開關用途 的電晶體，因為要導通大電流，故以 垂直結構為主。SiC功率元件發展的 軌跡基本上是跟隨Si功率元件，最先 進入量產的是SBD類型的二極體，根 據細部結構的不同，有蕭特基位障二 極體(SBD)、接面位障蕭特基二極體 (JBSD)、溝槽式接面位障蕭特基二 極體(TJBS)等，其結構示意圖如圖4 所示，雖然還有微調優化的空間，但 已是成熟的元件。因為SiC的SBD崩 潰電壓可以涵蓋Si的PND，既然SBD 的速度高於PND，SiC的PND要在更 高壓的應用上才需要使用，Si和SiC 功率元件的種類和適用的電壓範圍 如圖5所示。
高功率MOSFET有兩種結構，第 一種是平面通道的垂直雙植入金氧 半場效應電晶體(VDMOSFET)，其剖 面結構如圖6(a)所示;第二種是垂直 通道的溝槽式閘極或稱U形閘極金氧 半場效應電晶體(UMOSFET)，其剖面 結構如圖6(b)所示。VDMOSFET的優 點是製程比較簡單，因為製程造成的 可靠度問題比較單純。最關鍵的製程 是閘極氧化，要有適當的SiO2/SiC介 面鈍化，以提高載子移動率，降低通 道電阻對特徵導通電阻影響，同時 要有足夠的可靠度。目前以NO或是 N2O退火的氮鈍化效果最好，但是電 子遷移率只能達到30~50cm2/V-sec 左右，和塊材中的1000cm2/V-sec 相去甚遠，如何提高載子遷移率到
平面通道的結構使得單元間距 (cell pitch)不容易縮小，相鄰的p型基 體(P-body or P-base)造成的接面場 效應電晶體(JFET)效應也會增加導 通電阻。UMOSFET的單元間距在相 同的製程水準下，大約是VDMOSFET 的60%，而且理想上可以消除JFET 效應，得到較低的導通電阻。但是 UMOSFET的製程比VDMOSFET困 難，溝槽蝕刻製程以及溝槽側壁的閘 極氧化製程，都需要精準控制。特別 是為了降低溝槽底部的電場，需要增 加很多製程步驟，例如Rohm採用雙 溝槽結構，如圖7(a)所示;Infineon 採用不對稱的溝槽結構，如圖7(b)所 示;或是在溝槽底部增加P+屏蔽層， 如圖7(c)所示。然而這些作法除了增
圖4:SBD類型二極體的結構示意圖。
圖5:Si和SiC功率元件的種類和適用的電壓範圍。
圖6:(a)垂直型的高功率VDMOSFET剖面圖;(b)溝槽式閘極UMOSFET剖面圖。
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