摘自ISPSD_2025收录文章，复旦大学雷光寅/刘盼课题组的研究成果。
该课题组通过优化离子注入工艺，设计并成功流片制造了正交结构和平行结构两种1.7kV电荷平衡辅助4H-SiC MOSFET。该器件和超结(SJ)MOS相比，工艺相对简单。两种新颖的设计使器件的Rsp显著降低，而且保证了接近2000V的击穿电压。值得注意地是，新型器件导通电阻的改善是不影响器件的传输特性的，这是非常难得的设计和改善。通过TCAD对器件进行仿真，结果表明，该设计的电荷平衡辅助的设计不仅在不影响传输特性的情况下降低了Rdson，而且因屏蔽了电场，还减小了漏致势垒效应，提高了器件的高频应用和开关性能。
背景及器件设计
SiC MOSFET因其低损耗、高临界电场和优异的导热性使其在高压高频的电力电子领域得到了青睐。目前大量的报道对其研究都聚焦于降低其Rsp的同时确保足够的击穿电压，进而降低开关损耗。
而随着器件的沟道电阻进一步降低且趋近于饱和，研究人员又将降低Rdson聚焦于降低器件漂移区电阻。电荷平衡是目前不损害击穿电压的情况下降低Rsp最有效的方法，同时还表现出了低的温度系数，其其中以由漂移区中交替的n柱和p柱组成的SJ器件为代表。但是超结器件的制造都极具挑战性，都需要多重外延或沟槽填充工艺，使得流片成本大大增加，而且工艺复杂。
此研究就采用电荷平衡的理念设计了MOS器件，并制作了基于正交结构和平行结构的SiC MOSFET，并与传统的SiC MOSFET进行对比。
（正交结构有没有很熟悉，在超高耐压的SiC超结MOS器件中，该课题组也是采用了类似的结构进行设计，从而实现了高耐压且不增加Rdson。不同的是，该设计采用了多次外延工艺难以量产。至于平行结构，其实可以看成传统的SiC MOSFET的深结型。）
设计的MOSFET在漂移区中引入了电荷平衡结构，且具有较高的掺杂浓度，如下图b和图c，分别为正交结构和平行结构。与图a的传统MOSFET结构相比，正交结构的柱深2.6um，n柱宽和p柱宽相同1.2um，平行结构柱深也是2.6um，n柱宽2um，p柱宽2.8um。通过调节n柱和p柱的掺杂浓度来实现电荷平衡，从而适应不同的柱宽。除此之外，三者都是平面栅结构，具有相同的元胞间距。
器件性能
三种器件的击穿电压和阈值上的表现几乎相同，这也说明了多次离子注入形成深注对BV和Vth的影响不大，可以通过特殊的结构设计来减弱多次离子注入对器件的造成的损伤。
下图是分别在VGS=9V和VGS=18V下器件的输出特性曲线。室温下，正交结构和平行结构相较于传统MOS，Rsp表现出了大幅降低，这是通过深柱的高掺杂浓度实现了，结合阈值上的表现证明了没对Vth造成影响。而正交结构和平行结构的导通电阻不同源于二者的n型柱的宽度不同，这影响了器件的电流流经的面积。值得注意地是，深p柱的存在使得电场屏蔽减轻了DIBL效应，使得比传统MOSFET的饱和区域更加平缓。三种器件的体二极管的静态特性几乎一致。
进一步对器件的电荷平衡结构进行讨论，
下图a是三种器件在VDS=1700V下的仿真电场分布，可以看出，深p柱的存在有利于将峰值电场强度点往器件体内移动，而降低器件的表面电场。
三种电容都与VDS的变化强相关，器件的输入电容（Ciss=Cgs+Crss=Cgs+Cgd）基本保持不变，输出电容（Coss=Cds+Crss=Cds+Cgd）的突变主要是因为反向转移电容Crss的变化。Crss受VDS在不断变化而引起不同的沟道夹断效应。随着VDS的增加，夹断现象首先在JFET区域，不同结构的夹断现象与n柱的宽度有关。较宽的n柱使夹断现象延迟到VDS较高的水平。而延迟夹断现象使器件具有较高的Coss。
有意思的是，在高VDS下，三种器件的Coss反而几乎不存在差异了，这主要是因为高VDS下，n柱和p柱也具有了更加充分的横向耗尽，使得正交结构和平行结构都具有了较小的Crss。
为了充分对比三种器件的性能，在VCC=800V，VGS=15V/-4V，Rg=20Ω测试条件下进行双脉冲测试，从而评估器件的动态特性。
三者的体二极管反向恢复的did/dt几乎一致，但是正交结构和平行结构的器件的IRRM和Qrr都明显高于传统器件，这是因为充分扩展的PN结增强了p柱的空穴注入，而Qrr的增加则是受到了Coss的影响，耗尽区的扩展产生了更多的电荷抽取。这些都与SJ-MOS表现相同。
此外，两种新结构的反向恢复阶段的dir/dt较大，表现出了局部的电荷平衡结构加速了载流子的提取和耗尽区扩展。
下图展示了两种情况下的器件开关波形和损耗情况。两种新器件都降低了关断损耗，但是在开通损耗上的表现却不一致，正交结构的开通损耗增大，而平行结构的开通损耗减少。这是因为在开通过程中di/dt的不同，较高的di/dt造成了较低的Eon。总而言之，综合来看电荷平衡结构的引入确实有助于降低开关损耗。
总结
采用多次离子注入工艺实现正交和平行两种新型器件结构，并通过调整n型和p型掺杂剂量来匹配不同的柱宽来实现电荷平衡，得到的器件具有较低的Rsp，改善了沟道夹断现象，提高了器件高频应用，降低了开关损耗。这种设计为功率器件实现高效率和性能改善提供了一种更现实的方法，降低了工艺成本和难度。
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