实验研究了3.3kV超结（SJ）、3.3kV级电荷平衡（CB）和1.2kV级商用常规SiCDMOSFET（Conv）在低温77K和高温423K下的静态性能。
背景介绍
SiC基功率器件作为传统Si基器件的替代品，提供了更宽的禁带、更高的击穿电场、更小的器件尺寸、优异的热性能以及在极端环境下的更优的鲁棒性。为了进一步提高SiC功率MOSFET的性能，研究了漂移区的各种掺杂方法，这些方法主要是为了在雪崩击穿时获得矩形电场分布，而不是传统的三角形电场分布，与此同时降低器件通态电阻。如超结（SJ）和电荷平衡（CB）等概念的设计实现了上述的优化。通过采用这些优化设计，可以实现常规掺杂漂移区的一维限制，实现更低的Ron,sp，并提供了Ron,sp与BV更有利的折中，从而提高了器件整体性能。过往一些研究也对SiCMOSFET的低温性能进行了大量研究，但还缺乏对SJ和CB器件的低温性能的研究。
本文对GE公司的SiC基3.3kV的SJ、CB和DMOSFET器件在423K和77K的宽温度范围内的静态性能。此外还对LF公司的1200V80mΩ25A的SiCConvDMOSFET的静态性能进行表征，以供全面的对比。
器件结构
所采用的器件均采用TO247封装的分立器件，下图展示了SJ、CB和Conv器件的元胞截面示意图。CB器件包括12um厚的n型外延层（1e16），及在其上生长的CB区域。这个电荷平衡区域作为电场调制区域，允许其在相同击穿电压设计下增加漂移区的掺杂。使用高能Al神注入以形成深度为12um的间断垂直P型柱（P-bus），已将预埋的CB层连接到顶层的P+区域，与源极接触，以提供空穴流经路径。与CB类似，SJ垂直P型和N型柱是利用类似的高能注入工艺形成的。CB和SJ结构都可扩展以允许更高的击穿电压。
随后的低温测试在液氮77K和干冰异丙醇浴223K中进行，高温测试则是在温控的热板上进行，温度分别为373K和423K
实验结果
下图a是在77K、223K、300K、373K和423K的输出特性曲线中提取到的器件Ron,sp。（VGS=+20V，VDS=1V）。Ron,sp的温度曲线通常在77K至223K温度范围内呈负温度系数，而在233K至423K温度范围内呈正温度系数。
室温下，SJ器件、CB器件和Conv器件的Ron,sp分别为8、9.8、6.1。而在77K下，这些值分别增加了2.62倍、2.84倍、3.36倍。在423K下，相较于室温，Ron,sp分别增加了1.75×、1.86×和1.31×。下图a呈现了Ron,sp的典型”浴缸”曲线。
SJ器件、CB器件和Conv器件的阈值随温度的变化分别为-15.4mV/K、-15.9mV/K、-14mV/K，这是因为本征载流子浓度升高，界面态自由载流子的热激发，从而表现出负的温度系数。因为器件顶部的元胞设计一致，所以三种器件所提取的阈值电压的温度系数非常相似。为了评估SJ/CBDMOSFET的沟道迁移率，从具有相同元胞尺寸的器件和具有小元胞尺寸的LFDMOSFET的温度曲线中提取到五个温度下的迁移率μFE，如下图所示。所提取到的沟道迁移率的温度关系如温度T近似呈正比，表明了库伦散射是室温之前的限制，因为在较高温度下明显偏离了线性关系，这可能是在高温下漂移区电阻增加较多导致的。
下图给出了SJ器件、CB器件和LF公司的Conv器件在77K和423K之间的BV对比。室温下三种器件的BV分别为3501、3776和1666V。总体而言，因在较高温度下电离路径减小，三种器件的BV均显示正温度系数。SJ器件和CB器件在这个温度范围内温度系数近似一致。Conv器件的BV则是在300-423K之间表现出与另两种差别较大的温度系数。但是，实验结果中的BV在低温下呈现快速下降，特别是在77K时，仅为室温的64%。这可能是与低温下载流子冻结导致的终端结构失效有关，目前机理不明确。
实验结果讨论
在DMOSFET的主要电阻组成中，沟道电阻Rch和漂移区电阻Rdrift表现出明显的温度相关，这反映了沟道区域和漂移区的迁移率不同温度响应。前文描述了沟道和漂移区电阻的温度相关性。Rch,sp采用拟合后的沟道迁移率和五个温度下提取到的阈值电压根据下式进行计算。
SJ器件和Conv器件的Rdrift,sp可以采用下式进行估算：
CB结构的漂移区电阻是在假设顶部器件布局和衬底电阻与SJ结构相同且设计相似的情况下进行估计
下表总结了300K、223K和77K下所研究器件的导通电阻分量。在300K时，SJ器件、CB器件和Conv器件的漂移区电阻占比（沟道电阻占比）分别为31%（35%）、44%（29%）、58%（22%）、16%（28%）。）从77K到423K，所预估的Rch,sp与T^(-1.3)呈比例。因更高的漂移区电阻占比，SJ器件和CB器件的Ron,sp呈现出比Conv器件的T^(0.8)更快的T^(1.5)和T^(1.7)的增加速率。而Conv器件的Ron,sp在较高温度下近似遵循T^(2)关系，因最高的漂移区电阻占比，在所分析额定器件中显示出最强的温度依赖性。因此，Ron,sp从300K到423K的增加则是因为漂移区漂移率的降低。
低温下，器件的Ron,sp总体上显示出负温度系数，这是沟道、JFET和漂移区电阻的温度相关性综合作用的结果。
沟道电阻是因为高界面陷阱导致的迁移率下降而导致的负温度系数和阈值电压的正温度系数。
JFET电阻在200K上随温度升高而增大是因为JFET区域迁移率随温度升高而降低。低温条件下，沟道夹断现象引起的JFET“阈值电压”漂移和准中性区载流子冻结，这是导致JFET电阻陡增的原因。而LF公司的Conv器件窄元胞设计使其在室温下具有较高的JFET电阻。在77K时，其电阻显著增大。
CB器件的漂移区电阻在77K时比300K时增加一倍，并呈现出典型的”浴缸”型温度关系。这可能是因为CB漂移区中预埋的CB区域的寄生短通道的JFET造成的。由于反型区域的迁移率降低和器件阈值电压增大，在77K下，BV和Ron,sp折中权衡主要受Conv器件中高达5kV的沟道电阻和SJ器件中高达10kV的沟道电阻的限制。对于CB器件，因其寄生的JFET，其介于Conv和SJ器件之间。
总结
综上所述，首次研究了3.3kVGESJ和CBSiCDMOSFET在低温下的静态性能随温度的变化，为SiCSJ和CBDMOSFET的静态性能建立了基准，为它们在低温和高温下的应用提供了有价值的分析。
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