电力传输和变换已然在人们生活中发挥着举足轻重的作用，功率半导体器件作为装置的核心器件，广泛应用于电力传输、交通、照明、工业、航空航天等各个电力电子领域。尤其是在过去二十年，以第三代半导体碳化硅（SiC）为代表的技术革新与进步，创造了传统硅（Si）器件所无法逾越的理论极限，促成了新能源汽车、智能电网等产业的跨越式发展。

为了获得更好的器件性能和更高的功率密度，采用SiC沟槽栅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC UMOSFET）成为碳化硅行业进步的重要技术路线之一。在超过1000 V耐压应用领域，这项新技术正逐渐成为硅基绝缘栅双极晶体管（IGBT）可行替代品。然而，在芯片设计上继续深挖SiC UMOSFET的技术潜力，亟需克服沟槽栅极氧化物电场集中及栅漏电容高等技术瓶颈。近几年，SiC超结MOSFET引起产业和学术界的广泛关注，该结构兼有反向阻断特性好，正向导通效果优的特点，因此将UMOSFET与超结MOSFET结合在一起，可以充分展示SiC MOSFET器件的优点。

近日，厦门大学物理科学与技术学院张峰教授课题组在传统SiC UMOSFET引入局部超结屏蔽结构，充分发挥了SiC UMOSFET和2D电荷耦合结构的优势。他们在该工作中系统研究了处于不同偏置条件下的超结结构对器件电学特性产生的影响。计算结果表明，与传统SiC UMOSFET相比，接地型P柱超结结构能显著缓解沟槽电场聚集效应，器件阻断电压提升41%，同等面积下的导通电阻下降了52%。此外，基于模拟计算和器件特性动态转化物理机制，揭示了超结结构处于接地条件下能最大程度发挥2D电荷耦合的强屏蔽效应，开关损耗比传统器件降低18%，充分发挥了SiC UMOSFET的高频应用优势。

据报道，全球因功率半导体的应用使电力消耗减少数万亿瓦时，社会生产力、生活质量和安全性得以大幅提升。本文提出沟槽栅和局部超结融合的SiC UMOSFET器件新结构，有望打破传统功率器件性能极限，进一步降低电力消耗，为电力电子领域技术创新和减少全球二氧化碳排放发挥重要作用。

该文章以题为“A 4H-SiC Semi-super-junction Shielded Trench MOSFET：p-pillar is grounded to optimize the electric field characteristics”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. 器件（a）转移特性和（b）输出特性对比，以及（c）击穿电压，（d）传统器件 (CT-UMOS)、（e）接地型新结构 (GSS-UMOS) 和（f）浮空型新结构(NGSS-UMOS) 在1200 V阻断电压下电场分布图。

图2. (a)-(c) 开关频率分别为33 kHz、50 kHz和75 kHz下的器件开关特性曲线对比，以及 (d) 对应的开关损耗。

文章信息：

A 4H-SiC semi-super-junction shielded trench MOSFET: p-pillar is grounded to optimize the electric field characteristics

Xiaojie Wang, Zhanwei Shen, Guoliang Zhang, Yuyang Miao, Tiange Li, Xiaogang Zhu, Jiafa Cai, Rongdun Hong, Xiaping Chen, Dingqu Lin, Shaoxiong Wu, Yuning Zhang, Deyi Fu, Zhengyun Wu, Feng Zhang

J. Semicond. 2022, 43(12): 122802 doi: 10.1088/1674-4926/43/12/122802

Full Text: http://www.jos.ac.cn/en/article/doi/10.1088/1674-4926/43/12/122802

来源：半导体学报