今天这篇文章来自北卡罗来纳研究10V驱动650VSiCMOSFET器件，
介绍背景
650VSiCMOSFET已实现商业化（2020年）在不间断电源、太阳能光伏逆变器等诸多应用中，试图替代SiIGBT，另外在电动汽车电机驱动、服务器电源等领域，650VSiCMOSFET还需要与Si超结MOSFET展开竞争。
商用Si超结MOSFET产品适用于10V栅极驱动电压，输出特性显示，当驱动电压超过10V时，器件导通电阻并未降低，因此很多商用Si超结MOSFET产品datasheet提供的导通电阻和栅电荷，都基于10V栅极驱动电压，在众多应用场景，Si超结MOSFET产品的确采用10V栅极驱动，例如光伏升压转换器、模块多电平转换器以及功率因数校正升压转换器。相比之下，商用650VSiCMOSFET产品的驱动电压较高，平面型SiCMOSFET为15V，沟槽型SiCMOSFET为18V，且厂商往往会在datasheet中发出如下警告：请勿在栅源电压（VGS）低于13V的条件下使用SiCMOSFET，否则可能导致热失控。
结果是，650VSiCMOSFET产品与Si超结MOSFET产品在栅极驱动电压方面不兼容，在应用端增加了SiCMOSFET的替代成本。
基于此，本文制造了10V驱动的650VSiCMOSFET，既可以直接替代Si超结MOSFET，更低的栅极驱动电压又可以降低栅电荷、提升器件短路能力，欲研制10V驱动650VSiCMOSFET，最大难点在于沟道电阻的骤增
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如上，比沟道电阻的计算公式，
随着VGS的降低，过驱动电压（VGS-VTH）降低，RCH骤增，为解决此问题，本文采用三种设计
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如上，三种器件均采用27nm栅氧，（a）的沟道长度0.5μm，（b）的沟道长度0.3μm，（c）的沟道长度0.5μm且是分裂栅结构，更薄的栅氧、更小的沟道长度均可降低沟道电阻，当然，薄栅氧会增大可靠性风险，短沟道会提升穿通风险并降低短路能力。
至于如何确保27nm器件的可靠性，作者在这篇文章中有过解释，
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三种器件具体设计参数如上，
分别命名为ASPM-1（0.5μm沟道）、ASPM-2（0.3μm沟道）和ASPM-3（0.5μm沟道+分裂栅），
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在X-Fab的6英寸碳化硅生产线代工，外延层厚度6μm，浓度2.4e16cm-3，P-base浓度3e16cm-3，JFET浓度5.4e16cm-3，P-shield浓度1e18cm-3，三种器件芯片尺寸均为3mm×3mm，有源区面积均为0.045cm2。
实测阻断曲线如上，绿线为Infineon第七代CoolMOS产品IPW65R190C7，三种SiCMOSFET器件的击穿电压均为850V（ID=100μA），且在额定阻断电压650V下的漏电流低于0.1μA，相比之下，CoolMOS产品的击穿电压为710V。
这也证明了0.3μm沟道器件并未发生穿通击穿。
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输出曲线如左图，转移曲线如右图，ASPM-1和ASPM-3沟道长度均为0.5μm，且分裂栅结构几乎不影响输出特性，因此黑线和蓝线几乎重合，VGS=10V、电流密度100A/cm²的条件下，ASPM-1和ASPM-3的实测导通电阻均为160mΩ，而CoolMOS产品导通电阻为180mΩ。
通过模型分析（模型在另一篇文献中给出），ASPM-1和ASPM-3的导通电阻内部组成为：沟道电阻占38%、积累层电阻占9%、JFET区电阻占3%、漂移区电阻占9%、衬底电阻占29%，再看ASPM-2，由于采用0.3μm沟道，因此导通电阻更小、跨导更大，VGS=10V、电流密度100A/cm²的条件下，ASPM-2的实测导通电阻为115mΩ，比另外两种SiCMOSFET器件小1.39倍，通过模型分析，ASPM-2的导通电阻内部组成为：沟道电阻占26%、积累层电阻占10%、JFET区电阻占3%、漂移区电阻占11%、衬底电阻占36%，
沟道电阻占比明显降低。
再看转移曲线，只给出ASPM-1和ASPM-2，短沟道使ASPM-2的转移特性曲线位于ASPM-1上方，ASPM-2的Vth为1.8V，ASPM-1的Vth为1.9V。
右图中的虚线表示ASPM-1和ASPM-2在相同（VGS-VTH）下的跨导，ASPM-2的跨导约为ASPM-1的1.8倍，这意味着短沟道导致ASPM-2的栅控能力更强，即，VGS变化对IDS变化的控制更加灵敏，这意味着更快的开关速度、更低的开关损耗。
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电容曲线和栅电荷曲线如上，VDS=400V时，三种ASPM的Ciss相差无几，均为2000pF左右，而CoolMOS产品的Ciss为1150pF，有此差异，主要是因为ASPM的栅氧27nm，而CoolMOS产品的栅氧约50nm，栅氧厚度的减小使得Cox明显增大，Ciss随之增大。
ASPM的Coss由P屏蔽区与N漂移区之间的结电容决定，随着VDS增大，结耗尽区扩展，Coss降低，ASPM-1和ASPM-3的PN结面积占元胞面积比例为（2.1/2.8）=0.73，因此二者输出电容曲线完全相同，VDS=400V时的Coss值为97pF，而ASPM-2的PN结面积占单元面积比例为（1.9/2.6）=0.75，VDS=400V时的Coss值为95pF，也测了CoolMOS产品的输出电容曲线，VDS=400V时的Coss值只有17pF，但在VDS=5V时的Coss值剧增至9000pF，造成这一现象的原因，是CoolMOS产品采用超结结构，高漏压下，器件Coss由有源区面积和漂移区耗尽区宽度决定，CoolMOS产品的漂移区厚度35μm，SiCMOSFET的漂移区厚度是5μm，再代入两种器件的有源区面积，估算CoolMOS器件的高压Coss比ASPM小5.63倍，与实测的5.7倍基本一致。
再看栅电荷曲线，ASPM-1、ASPM-2和ASPM-3的Qgd分别为14nC、14.2nC和9.2nC，观察ASPM-3的曲线，会发现米勒平台不甚明显，这是因为分裂栅结构使其Cgd太小，而CoolMOS产品的的Qgd为9nC，与ASPM-3接近。
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四种器件的参数对比如上，同样是10V驱动，相比CoolMOS产品，三种SiCMOSFET在BV、Ron,sp上有明显优势，Vth偏低（前者是3.5V，后者不到2V）。
另一有趣对比是Coss，高压Coss，SiCMOSFET明显大于CoolMOS，原因上文已经解释，但低压Coss，SiCMOSFET明显小于CoolMOS，这是因为CoolMOS的超结结构在低压下未耗尽，呈现巨大电容。
因此在开关过程中，CoolMOS需对其巨大的低压输出电容进行充放电，显著减慢开关速度并增加开关损耗。这是Si超结器件的一个固有弱点。
接下来进行双脉冲测试，波形看不太清，不展示在此
结论是：相比ASPM-1（235μJ），ASPM-2的开关损耗更低（148μJ），原因是后者的沟道长度更短，跨导更大，
更大的跨导使其电流上升时间缩短（即VGS对IDS的控制更加灵敏），且可以降低器件平台电压，加快漏压下降。
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ASPM-1的短路波形如上，母线电压400V，驱动电压10V，
测试方式是——逐步增加栅极脉冲宽度，直至器件失效，
可以看到，ASPM-1的短路耐量为8.4μs，
采用27nm栅氧、10V驱动电压的ASPM-1结构，短路时间显著延长（为市售1.2kV碳化硅功率MOSFET的2.4倍）。
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四种器件的动态参数对比如上，
先看总开关损耗（最后一行），三种SiCMOSFET器件远低于CoolMOS产品，相差10倍有余，关键在于，SiCMOSFET器件的反向恢复电荷远小于CoolMOS（这是超结器件的固有缺点），总开关损耗因之大幅降低。
短路耐量是SiCMOSFET的劣势（未在上图中给出），
三种SiCMOSFET器件的短路耐量为5.0μs~8.4μs，而CoolMOS为19μs，但前者已足以满足大多数应用要求。
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四种器件功率损耗随工作频率的变化如上，
可以看到，所有频率下，三种SiCMOSFET器件的功率损耗均小于CoolMOS产品，由于导通损耗、开关损耗都较低，ASPM-2是功率损耗最低的SiCMOSFET器件，100kHz时，ASPM-2的功率损耗仅为16W（0.4%），而CoolMOS产品为272W（6.8%），前者是后者的1/17。
小结：
1、商用Si超结MOSFET产品适用于10V栅极驱动电压，650VSiCMOSFET产品与Si超结MOSFET产品在栅极驱动电压方面不兼容，在应用端增加了SiCMOSFET的替代成本。
2、制备三种650VSiCMOSFET器件，栅氧均为27nm，沟道长度包括0.5μm和0.3μm，栅极结构包括常规栅极和分裂栅。
同样是10V驱动，相比CoolMOS产品，三种SiCMOSFET在BV、Ron,sp上有明显优势，Vth偏低（前者是3.5V，后者不到2V）
3、所有频率下，三种SiCMOSFET器件的功率损耗均小于CoolMOS产品，主要原因是前者的反向恢复电荷远小于后者。
三种SiCMOSFET器件的短路耐量为5.0μs~8.4μs，而CoolMOS为19μs，但前者已足以满足大多数应用要求。
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