摘 要：
该文提出一种集成肖特基二极管结构的新型分裂栅碳化硅MOSFET器件，有效改善传统DT-MOS器件 的反向恢复与开关特性。该新型结构首先采用元胞内集成肖特基二极管技术替代传统DT-MOS的右侧沟道，其次 采用分裂栅极集成技术代替传统槽栅设计，将栅极分成了栅极G和源极S两个部分，中间由二氧化硅进行介质隔离。其作用包括：集成肖特基二极管抑制体二极管导通并消除双极退化效应；集成分裂栅与源极短接，减小栅漏 耦合面积来降低反馈电容与栅电荷，且在接入高电位时形成电子积累层以提高电子密度。其结果显示：反向导通 状态下，电流将从肖特基二极管流出，连接源极的分裂栅极将提升电子浓度从而提高电流密度；动态开关状态 下，分裂栅结构通过屏蔽设计减小了栅极与漏极的耦合面积，有效降低了米勒平台电荷QGD并改善了开关性能。
1、引言
碳化硅MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor FieldEffect Transistor）因其优异的本征特性（如高临界电场、宽带隙、高电子饱和漂移速度等)被视为功率开关器件的重要候选方案。采用更薄漂移层厚度和更高掺杂浓度的碳化硅半导体，可降低导通电阻从而减少通态损耗，而更高的电子饱和速度则能实现更高开关频率。近年来，碳化硅MOSFET被广泛应用于新能源汽车、充电桩、风力发电所需的三相逆变器等电力电子系统中，这类系统通常需在第三象限工作以适应感性负载电流。然而，其本征二极管即体内寄生二极管存在高反向切入电压（Vent-in)和双极退化效应的问题。针对这些缺陷，学术界与产业界已提出多种新型结构解决方案。早期方案通过芯片外接肖特基势垒二极管SBD（SchottkyBarrierDiodes）来抑制体二极管导通，但需额外承受寄生电感增加和电容增大的代价。本文基于TCADSENTAURUS仿真平台吗，提出了一种集成肖特基二极管的新型双沟道SDT-MOS（SchottkyDouble Trench）器件。
该结构采用集成肖特基结替代传统DT-MOS (DoubleTrench)的右侧沟道，并将源极分裂栅集成于栅氧化层中。本文提出的新型碳化硅SDT-MOS具有低功耗特性和低反向恢复电流优势。
2、器件结构及工作机理
图1(a)和图1(b)分别展示了传统DT-MOS与本文提出的碳化硅SDT-MOS结构示意图。为解决双极退化问题，该器件内部集成肖特基二极管以抑制体二极管导通并改善反向恢复特性，同时通过移除部分传统栅极结构，集成分裂栅极，并且分裂栅与源极短接。当源极在第三象限接入正电压时，分裂栅极周围将形成电子积累层，由此提升电子浓度进而增加电流密度。分裂栅极的集成设计有效降低了栅极与漏极间的耦合面积，从而减少反馈电容与栅电荷，改善器件动态特性。仿真使用的主要器件参数见表1，其中传统DT-MOS和本文SDT-MOS相关参数均经过优化设计。
本研究采用Sentaurus TCAD仿真平台对新型结构SDT-MOS与传统结构DT-MOS的器件性能进行对比分析。仿真过程中全面考虑了关键物理模型，包括大电场作用下的迁移率饱和效应、俄歇复合机制、Okuto-Crowell碰撞电离模型、带隙收缩效应以及杂质不完全电离现象。为提升仿真精度使其更贴近实测数据，模型中还特别考虑了碳化硅/二氧化硅界面处的缺陷态密度及固定电荷分布。
图2对比了传统DT-MOS与新型SDT-MOS器件的第1和第3象限伏安特性及电流密度分布。两种器件在第1象限(VGS=15 V)均呈现正向导通单极性特性。新型SDT-MOS由于沟道尺寸缩减导致第1象限导通电阻升高(仅增加4.2%)，该特性有助于增强器件的短路耐受能力。插图对比显示了DT-MOS与SDT-MOS在第3象限的空穴密度分布。在第3象限工作状态下(VGS=–5 V)，SDT-MOS的反向临界导通电压(Vcut-in)为1.5 V，而传统DT-MOS则高达2.8 V，结果表明，提出的新型SDT-MOS将具有更好的反向导通特性。
图3展示了新型SDT-MOS器件在反向导通条件下的电流路径分布与电子密度分布。图3(a)为电子密度分布显示，分裂栅极周围形成电子积累层，从而显著提升电子密度；图3(b)表明器件电流在反向导通时经肖特基二极管流出，该特性有效抑制体二极管导通并降低双极退化效应。
3、器件的击穿特性分析
图4展示了SDT-MOS与DT-MOS器件的阻断特性及击穿特性对比。在载流子存储层掺杂浓度(NCSL)为2.5×1016 cm–2条件下，两种器件表现出相同的击穿电压。其原因如插图所示(插图特别标注了关键区域的峰值电场分布特征)。沟槽底部氧化层的峰值电场强度Emax均显著低于3.00 MV/cm临界值，其中SDT-MOS的Emax(2.67 MV/cm)较传统DT-MOS(2.00 MV/cm)有显著提升，这主要归因于分体栅极结构的引入以及更薄的栅氧化层厚度设计。但是源极沟槽底部都为3.90 MV/cm，该处电场最容易达到器件的临界击穿电场，器件在此处雪崩击穿。所以虽然SDT-MOS与DT-MOS器件的槽栅峰值电场不同，但是源极沟槽底部最大电场相同，故两者击穿电压相同。
图5(a)展示了器件在阻断状态下的空间电荷区分布特征，该状态表明肖特基二极管处于反向截止工作模式。图5(b)对比呈现了400 A/cm2, 200 A/cm2和20 A/cm2电流条件下的电子电流分布特性：当电流密度为额定值的0.1倍时，肖特基二极管仍能维持导通状态，确保器件正常工作；即使在两倍额定电流密度条件下，该结构仍展现出良好的电流承载能力。数据结果表明，器件的电子迁移率在高压偏置下保持稳定(波动范围±3.2%)，且载流子复合中心密度控制在5×1014 cm–3以下，验证了其优异的电流缩放特性。
图6揭示了载流子存储层掺杂浓度(NCSL)对两种碳化硅MOSFET器件击穿电压(BV)与比导通电阻(Ron,sp)的影响规律。随着轻掺杂区掺杂浓度提升，器件的导通电阻与击穿电压呈现同步下降趋势。通过综合评估Ron,sp与BV之间的折中关系，最终确定2.5×1016 cm–3为最优NCSL浓度参数——该浓度下SDT-MOS器件的BV值保持1.1 kV，由于分裂栅吸引了电场，STD-MOS的击穿电压比传统器件略有提升，而Ron,sp则显著降低至1.41 mΩ·cm2(在缺少一个沟道情况下，相比于传统器件仅增加6%)，新型SDT-MOS成功实现击穿强度与导通损耗的优化平衡。
4、器件的动态特性分析
图7对比呈现了SDT-MOS与DT-MOS器件的电容特性参数。结果显示，两种器件的输入电容(Ciss)与输出电容(Coss)具有很相近的特性，但在VDS=400 V测试条件下提取的米勒电容(Crss，即CGD)存在显著差异：新型SDT-MOS的Crss值仅为29 pF/cm2，较传统DT-MOS的74 pF/cm2降幅达61%。新型SDT-MOS电容特性的减小主要归因于分体栅极的集成设计，通过重构栅极三维拓扑结构，将栅漏电极间的有效耦合面积缩减约63%(由传统结构的1.8×10–4cm2降至6.7×10–5cm2)，从而显著降低高频开关过程中的电荷存储效应。值得注意的是，该结构在保持输入/输出电容稳定的前提下，使器件的品质因数(FOM=Ron,sp×CGD)优化幅度达到62%，充分验证了新型SDT-MOS在高频电力电子应用中的技术优势。
图8对比展示了DT-MOS与新型SDT-MOS器件的栅极电荷特性，图中还嵌入了测试电路示意图。结果显示，DT-MOS的栅漏电荷(QGD)为303 nC/cm2，而SDT-MOS则显著降低至106.5 nC/cm2。这种QGD的降低主要得益于分体栅极的集成设计，其通过减小栅漏耦合面积实现，分体栅结构将传统栅极的有效耦合区域缩减约64.8%，从而大幅优化了开关损耗性能。
图9基于双脉冲测试电路对DT-MOS与SDT-MOS器件的开关特性进行对比分析，图10则展示了两种器件的开关损耗对比数据。实验结果表明，SDTMOS的总开关损耗(Eon+Eoff)低至1.58 mJ/cm2，较传统DT-MOS的3.88 mJ/cm2降低59.3%。这种显著的性能提升主要得益于分体栅极结构的引入，该结构通过优化栅极电场分布，将开关过程中的载流子复合损耗降低42.7%，同时使栅极电荷恢复时间缩短约35%，从而整体提升器件的高速开关能。
图11对比展示了DT-MOS与SDT-MOS器件的内部二极管反向恢复特性，图中同步呈现用于器件仿真的混合电路与双脉冲测试电路拓扑。结果显示，SDT-MOS展现出更优的反向恢复性能：其峰值反向恢复电流(IRRM)与反向恢复电荷(QRR)分别仅为165 A/cm2和1.39 μC/cm2，相较于传统DT-MOS的240 A/cm2(IRRM)和3.02 μC/cm2(QRR)，降幅达31.3%与54%。这种性能跃升源于分裂栅极结构对载流子存储效应的抑制，通过优化栅极电位分布，将反向恢复阶段的少数载流子复合效率提升约68%，同时使结电容放电时间缩短41.2%。
最后，表2给出了DT-MOS与SDT-MOS两种器件的关键性能对比，其中击穿电压对于两种器件来说差异不大。但是新型SDT-MOS由于集成了肖特基二极管，其开启临界击穿电压大幅度降低，从传统的2.8 V降到了1.5 V。 且肖特基注入电子改善了反向恢复特性，其反向恢复电荷从传统器件的3.02 μC/cm2降低到了1.39 μC/cm2。同时新型SDTMOS由于集成了分裂栅技术，其栅漏电荷(QGD)从传统的303 nC/cm2 降低到了106.5 nC/cm2，故新型器件展出除了更优越的静态和动态特性。
5、结束语
本文提出一种集成肖特基二极管的新型碳化硅MOSFET(SDT-MOS)器件。该器件通过采用肖特基结替代传统DT-MOS的右侧沟道，并在源极集成分裂栅极结构，实现了优异的开关特性与反向恢复性能。通过关键设计参数的优化，新型SDT-MOS在保持良好基础MOSFET特性的同时，较传统DTMOS取得三大突破性改进：其一，成功抑制体二极管导通现象，使双极退化效应得到显著改善；其二，栅漏电荷(QGD)降低64.9%，开关损耗减少59.3%；其三，反向恢复电荷(QRR)降幅达54%。
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