基于Si/4H-SiC异质结发射极和双沟道MOS系统的场截止型IGBT器件仿真与性能优化研究

本文创新性地提出了一种集成n/p沟道金属氧化物半导体（MOS）系统和Si/4H-SiC异质结发射极（HEJE）的场截止型IGBT（FS-IGBT）。通过n-MOS增强电子传导、p-MOS加速空穴提取（turn-off阶段降低Eoff），结合HEJE势垒效应优化导通电压（Von）与击穿电压（VB）的平衡。Sentaurus TCAD仿真表明，该设计较传统结构显著降低Von（61% IFOM提升），为高压大电流场景下的SiC IGBT性能突破提供了新思路。

　　

Highlight

器件结构与模型

图1展示了HEJE-HCL-FS-IGBT的二维结构：在单元左上/右上角嵌入p型金属氧化物半导体（p-MOS），其辅助栅极（AG）通过n⁺-多晶硅（n⁺-Si）边缘凹槽连接发射极并接地。两个n型4H-SiC柱体紧贴n⁺-Si/SiO₂异质结（HEJ）内侧形成空穴沟道层（HCL），构成p-MOS。关断（turn-off）时，AG接地使HCL分担空穴电流，加速载流子抽取。

不同界面态对器件性能的影响

由于Si/4H-SiC与SiO₂/4H-SiC的晶格失配，界面态密度（D_it）显著影响性能：

• Si/4H-SiC异质结界面态（D_it-1）导致势垒波动，影响空穴阻挡效率

• p-MOS中SiO₂/n-4H-SiC界面态（D_it-2）增加沟道载流子捕获

• n-MOS中SiO₂/p-4H-SiC界面态（D_it-3）改变阈值电压V_th

与同类器件的性能对比

如表2所示，相较于无HEJE和p-MOS的对照器件：

• 导通电压V_on降低19%

• 关断损耗E_off减少34%

• 工业品质因数IFOM（V_on×E_off）优化61%

结论

这种集成HEJE与双沟道MOS的10kV场截止IGBT，通过异质结势垒增强载流子调制（conductance modulation），p-MOS加速空穴抽取，在保持V_B的同时实现V_on-E_off协同优化，为智能电网高压断路器提供了更优解决方案。