今天这篇2019年的文章，来自北卡罗来纳，主要内容是研究八角元胞SiC
MOSFET对HF-FOM（高频品质因数）的提升。
何为HF-FOM？这参数为何重要？
先解释这个逻辑。
对SiC MOSFET而言，比导通电阻Ron,sp是最常见的参数，因其可以对比不同面积芯片的过流能力，
然而Ron,sp并非唯一重要的参数。
SiC MOSFET旨在替代Si IGBT，用于电机驱动逆变器、光伏发电逆变器等场景，
相比Si IGBT，SiC MOSFET的一大优势在于更快的关断速度，这源自其单极型器件的固有特性，
然而问题在于，SiC MOSFET的成本至少是同等额定值Si IGBT的3倍（2023年数据，2025年据说已有低于Si IGBT价格的SiC MOSFET），
但这种成本劣势可以在系统层面得到缓解，原因是SiC MOSFET逆变器工作频率远高于Si IGBT逆变器，而更高的工作频率可减小滤波器等元件尺寸，进而降低系统成本，
如此，SiC MOSFET器件层级的成本劣势在系统层级被抵消。
因此结论简单清晰——我们需要保持SiC MOSFET在开关特性上的优势，使其工作在更高频率下，具备更低的开关损耗。
这就需要关注动态参数。
开通、关断过程中产生的能量损耗，很大一部分与漏压转换时间相关，而这时间由栅漏电容CGD（应用层级常称之为Crss）、栅漏电荷QGD决定，减小这两个参数，对提升开关能力至关重要。
于是采用高频品质因数HF-FOM评判器件动静态整体性能，HF-FOM定义为：比导通电阻×栅漏电荷（Ron,sp×QGD），Ron,sp代表静态功耗，QGD代表动态功耗，HF-FOM越低，器件整体功耗越低。
介绍完背景，进入正文。
此前Si MOSFET中已有报道方形、六边形等不同元胞结构对器件性能之影响，另有报道提出原子晶格元胞布局方式（Atomic Lattice Layout，ALL）
SiC MOSFET中已有方形、六边形元胞布局之研究，但尚未有八角元胞之设计
本文即做此工作，制备八角元胞 SiC MOSFET ，命名为 OCTFET （ Octagonal-Cell Topology ，八角元胞布局 ）
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器件结构如上，
右边的截面图与常规无异，重点是左边的版图布局，
仔细看，多晶硅、N+、P-shield、P+、JFET、欧姆孔，这几块版都是八角形，
相邻八角形多晶硅区域之间，通过矩形多晶硅连接条相连接（Poly-Si bar），多晶硅连接条的长度决定了欧姆接触面积和元胞尺寸，若长度太小，则接触面积太小，不利于制造，若长度太大，则元胞尺寸过大，导通电阻增加。
所制备的器件采用了两种多晶硅连接条长度，b=a，b=a/2，这里a是最小栅源间距（多晶硅与欧姆区的垂直间距），通过TCAD仿真获取最优参数，这并非简单的截面仿真，而是通过旋转器件结构，将八角形多晶硅区域近似为圆形，以简化仿真模型。
另外，仿真中没有考虑多晶硅连接条（ poly-Si bars ），这会低估 Ron,sp ，高估 Cgd,sp 和 Qgd,sp 。
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如上，WJFET（JFET宽度）对Ron,sp、Cgd,sp和Qgd,sp影响的仿真结果，随着WJFET增大，Ron,sp迅速减小而Cgd,sp、Qgd,sp迅速增大，HF-FOM =Ron,sp×QGD，随着WJFET增大，右式一参数增大、一参数减小，因此需要找到最优WJFET，使HF-FOM最低。
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如上，WJFET（JFET宽度）对栅氧峰值电场强度、HF-FOM影响的仿真结果，WJFET=1.1μm时，HF-FOM最小，此时的栅氧峰值场强为2.6MV/cm，符合可靠性要求。
另外，对WJFET=0.7μm和WJFET=1.1μm的条形元胞SiC MOSFET，相同条件下栅氧峰值电场分别为2.4 MV/cm、4 MV/cm，这里有一处值得注意，相同WJFET下，条形元胞的栅氧峰值电场4 MV/cm，八角元胞的栅氧峰值电场只有2.6 MV/cm，
为什么会这样？
作者未做解释，我推测，条形元胞的栅极边缘是长而直的线条，一旦JFET宽度增大，P阱夹断效应减弱，电场线迅速集中到JFET区中央的栅氧，条形结构没有其他路径来分散这些电场线，导致该点电场急剧升至4 MV/cm。
而八角元胞这种多边形结构，引入多个拐角，漏极施加高压时，耗尽区会从各个八角形Pshield区向外扩展，电场线不像条形元胞那样集中于某一栅条中心，而是重新分布到多个八角多晶硅边缘或拐角，栅氧峰值场强因之降低。
另需确定a、b大小，
a不能太小，否则不利于形成良好欧姆接触，为了对比，进行两种设计。
基线设计，a = b = 1.1 μm，
紧凑设计，a/2 = b = 0.55 μm，
OCTFET在得克萨斯州的X-Fab代工制造，同时制备了条形元胞器件以作对比，有源区面积均为0.045 cm²，
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VGS=20V时的输出曲线如上，
条形元胞器件电流最大，电阻最小，
JFET宽度越大，电流密度越大，这不必多说，
O_J1.1_C是紧凑设计，相比O_J1.1，紧凑设计获得了更大的电流密度，这是因为元胞尺寸减小，沟道密度增大，导通电阻因之降低。
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Cgd曲线如上，JFET宽度越小，Cgd越小，这是因为栅漏交叠面积随JFET宽度的减小而减小，将八角元胞与条形元胞对比，即便是Cgd最大的八角元胞（J1.5），Cgd也明显小于条形元胞，1000V漏压下，前者是3.26pF，后者是4.79pF。
另外，紧凑设计OCTFET的Cgd是1.55pF，相同JFET宽度下（1.1μm），基线设计OCTFET的Cgd是1.28pF，换言之，紧凑设计亦会增大 Cgd ， 这大概是因为沟道密度的提升，使得整体栅漏交叠面积增大。
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栅电荷曲线如上，
条形元胞器件的Qgd最大，OCTFET的Qgd随JFET宽度的减小而减小，相比条形元胞，八角元胞布局使OCTFET的JFET区总面积显著减小，更小的栅漏交叠面积导致更小的Cgd和Qgd，从而获得更优的高频特性。
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各种器件性能对比如上，
沟道密度的计算方式为：沟道周长/元胞面积，
JFET密度的计算方式为：JFET区面积/元胞面积，
值得注意的是，若不采用紧凑设计，八角元胞器件的沟道密度明显小于条形元胞器件，这应该是条形元胞器件电流密度最大的关键原因，
但所有八角元胞器件的JFET密度均明显小于条形元胞器件，这使其高频特性更优。
所有器件的BV、Vth区别不大，前者基本在1600V~1640V，后者基本为2V，实测Ron,sp与仿真结果基本一致，证明模型的准确性，再看我们最关心的HF-FOM，
对不同设计的OCTFET，的确是J1.1的HF-FOM最小，与仿真结果一致，相比条形元胞器件，O_J1.1的HF-FOM [Ron×Cgd]提升1.7倍，HF-FOM [Ron×Qgd]提升1.2倍。
此外，相比条形元胞器件，紧凑设计OCTFET的HF-FOM [Ron×Cgd]提升2.1倍，HF-FOM [Ron×Qgd]提升1.4倍。
八角元胞布局的高频优势得以证明。
小结：
1、制备八角元胞SiC MOSFET，以验证其高频优势。
2、若不采用紧凑设计，八角元胞器件的沟道密度明显小于条形元胞器件，这使其导通电阻有一定程度增大，
但所有八角元胞器件的JFET密度均明显小于条形元胞器件，这使其高频特性更优。
换言之，相比条形元胞，八角元胞会损害静态特性，提升动态特性，需通过参数优化使得动态特性的提升幅度大于静态特性的损失幅度，衡量标准即为器件HF-FOM更低。
4、相比条形元胞器件，O_J1.1的HF-FOM [Ron×Cgd]提升1.7倍，HF-FOM [Ron×Qgd]提升1.2倍，证明了对器件整体性能的提升。
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