今天这篇，2020年的文章，来自北卡罗来纳，主要内容是制备27nm栅氧650V SiC MOSFET器件。
先介绍背景（注意是2020年的背景信息），
650V SiC MOSFET商用器件的推广受到两方面限制，
1、较大的栅极驱动电压（20V），这是因为沟道电阻在650V器件总电阻占比很高，需要通过增大栅驱电压的方式降低沟道电阻，
2、短路耐受能力差，这是提高栅驱电压带来的副作用，更大的饱和电流导致更差的短路耐受能力，
为改善这一问题，作者制备27nm栅氧650V SiC MOSFET器件（常规器件的栅氧厚度约50nm），
目的是在更小的栅驱电压条件下，实现SC&Ron,sp之间更优的trade-off。
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器件结构如上，
有源区面积0.045 cm2，JFET宽度0.7 μm，沟道长度0.5 μm，
外延层厚度6 μm，浓度2.4e16 cm-3，
样品在X-fab中制造，栅氧厚度分别为55nm、27nm（通过CV测试估算厚度），分别在1175 ℃下通过干氧生长300分钟、150分钟形成。
封装后，进行开关和短路测试。
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实测输出曲线如上，
VGS=10V、VGS=15V时，27nm器件的Ron,sp分别为7.1mΩ·cm2、3.8mΩ·cm2，
相比同等级Si超结器件（10 mΩ·cm2），有明显优势。
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两种栅氧厚度器件Ron,sp与VGS的关系如上，
对27nm栅氧器件而言，只需10-15 V栅压，便可获得与55nm栅氧器件在典型栅极电压20-25 V下相似的Ron,sp，低栅驱优势明显。
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两种栅氧厚度器件大电流输出特性如上，使用短路测试电路，非破坏性的1.5μs即可获得该曲线，
对27nm栅氧器件而言，VGS=10V时，400V下的饱和电流IDsat可比55nm栅氧器件（VGS=20V）降低1.5倍。
再对两种栅氧厚度器件的开关特性进行对比，
测试结果就不放在这了，波形看着太乱，直接说结论，
两种栅氧厚度器件的dIDS/dt，dVDS/dt都相似，
dIDS/dt为何相似？
虽然27nm器件的驱动栅压较小，使其dVGS/dt较小，但其跨导较大，驱动电流能力更强，两种机制作用下，最终dIDS/dt与55nm相似。
dVDS/dt为何相似？
该值由（VGS-VGP）/Rg*Cgd决定，27nm器件跨导更大，米勒平台电压VGP更低，
因此对两种栅氧厚度器件，27nm为（15V-较低的VGP），55nm为（20V-较高的VGP），最终结果相似，均为8~9V，
而分母的两项也相同，因此dVDS/dt相似。
既然决定开关损耗的dIDS/dt、dVDS/dt都相似，那么两种器件的开关损耗相近便不足为奇，
换言之，改用27nm器件并降低栅极驱动电压，并不会牺牲开关速度或增加开关损耗。
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几种器件的开通IDS曲线如上，SiC MOSFET的峰值电流远小于Si CoolMOS，
相比27nm栅氧器件，Si CoolMOS的开通损耗高出11倍，证明27nm栅氧器件的开关性能（特别是反向恢复特性）远优于市场主流的硅基竞争对手。
再看短路能力，
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放一个公式，短路耐受时间tSC与短路饱和电流ID,sat、漏源电压VDS均成反比，
物理图景大概如下：
短路瞬间，巨大的能量瞬间涌入芯片，温升速率取决于电流和电压的乘积，饱和电流越小，产生的热量越少，芯片升温至失效临界温度的时间就越长，tSC越大。
这也是此前测试大电流输出特性的原因，便于对比两种栅氧厚度器件的短路饱和电流。
分子的几项也解释一下，
TCR，临界失效温度，指功率器件芯片（通常是半导体材料本身）在发生不可逆的物理损坏时的内部最高温度，
Si材料为250℃~300℃，SiC材料超过600℃，
THS，散热器温度，指在短路事件开始时，与功率器件封装底座相连接的散热器的初始温度，
THS代表短路测试的起始条件，THS越低，其与TCR的差距越大，器件内部温升所需时间越长，tSC越大。
AA为有源区面积，WSiC为漂移区厚度，Cv为4H-SiC体积比热容（1立方米物质升高1开尔文所需热量，衡量单位体积材料储存热量的能力）。
从大电流输出特性测试结果推断，短路耐量最大的器件应该是55nm&VGS=15V，因其饱和电流最小。
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短路测试曲线如上，
原文测试了四种不同条件器件的短路曲线，包括55nm&VGS=15V，55nm&VGS=20V，27nm&VGS=10V，27nm&VGS=15V，
仅挑选两种放在这里，左边是27nm&VGS=15V，右边是55nm&VGS=15V，
27nm&VGS=15V的短路耐量最小，只有4.4μs，但也符合SiC MOSFET分立器件对短路耐量的要求（一般要求3μs以上），
55nm&VGS=15V的短路耐量最大，有10μs，因为对55nm栅氧器件而言，15V驱动电压太小，饱和电流最低，发热最慢。
这也符合大电流输出特性的实测结果。
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SC&Ron,sp的trade-off如上，
27nm器件的斜率明显大于55nm器件，这意味着什么？
在tSC=8μs处做一条平行于横轴的直线，能看到，欲获得较大的短路耐量，55nm器件需要承受更大的导通电阻，
27nm器件的Ron,sp为7.1mΩ·cm2，55nm器件的Ron,sp为12mΩ·cm2，差距明显。
这张图值得借鉴，27nm当然无法用于商用器件，太薄的栅氧会对可靠性造成严重影响，
但，通过略微减少栅氧厚度，能否获得SC&Ron,sp之间更优的trade-off？
这也许是个值得研究的课题。
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整体性能对比如上，
Vth差别很大，27nm器件只有1.9V，55nm器件3.56V，
Crss那项，看着有点奇怪，怎么55nm栅氧器件反而更大呢？
27nm器件的Ron,sp有明显降低，开关损耗两者几乎相同。
小结：
1、650V SiC MOSFET商用器件的推广受到两方面限制，
a、较大的栅极驱动电压（20V），这是因为沟道电阻在650V器件总电阻占比很高，需要通过增大栅驱电压的方式降低沟道电阻，
b、短路耐受能力差，这是提高栅驱电压带来的副作用，更大的饱和电流导致更差的短路耐受能力。
2、提升SiC MOSFET短路能力的已有方案包括增大沟道长度、降低沟道密度、调整P阱设计、源极串联嵌入式电阻，但无一例外会使导通电阻增大。
3、相比55nm器件，27nm器件可获得SC&Ron,sp之间更优的trade-off。
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