一文了解SiC芯片的设计和制造

时间： 2024-02-21 来源：芯际探索公众号

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首先，下图是一张制造测试完成了的SiC MOSFET的晶圆(wafer)。

图一.制造测试完成了的SiC MOSFET的晶圆

芯片表面一般是如图二所示，由源极焊盘(Source pad)，栅极焊盘(Gate Pad)和开尔文源极焊盘(Kelvin Source Pad)构成。有一些只有Gate pad，如上图的芯片就没有Kelvin source pad。

图二.芯片表面

在这里我们仔细观察芯片的周围有一个很窄的环形，它的作用主要是提升芯片的耐压，我们叫耐压环(Edge termination Ring)，通常是JTE结构，其实一个芯片主要就是由三部分构成：Terminal Ring，Gate Pad，Kelvin Source Pad和开关单元(Active Cell)。芯片外围一圈是耐压环，Gate pad把栅极信号传递到每一个Cell上面，然后里面是上百万个Active Cell。

通常大家关注比较多的是Active Cell，因为芯片的开关和导通性能主要是和Active Cell有比较大的关系。在这里我们把芯片的layout还有各个部分的作用特点总结一下，这样方便大家对芯片有一个更好的认识。

耐压环（Edge termination Ring）

● 环绕着芯片的开关单元，目前大多数采用JTE结构；

● 有效控制漏电流，提高SiC器件的可靠性和稳定性；

● 减小电场集中效应，提高SiC器件的击穿电压，SiC MOSFET的击穿电压和具体的每一个开关单元有关，同时和耐压环也有很大的关系；

●防止离子迁移，JTE技术可以用于抑制移动离子的漂移，从而提高SiC MOSFET的可靠性和稳定性。

其实耐压环的最主要的作用就是提升芯片的耐压，SiC MOSFET的耐压和Active Cell有关系，但是芯片边缘的场强很大，及其容易导致边缘击穿，所以这就是JTE的作用所在。在一些高压的器件中，甚至JTE的面积会大于Active Cell的面积。

栅极焊盘，开尔文源极焊盘（Gate Pad，Kelvin Source Pad ）

栅极pad主要作用就一个，把栅极的信号传输到各个开关单元，同时提一下，安森美的芯片是集成了栅极电阻的，这样在模块封装上可以节省空间和一些成本。

开尔文源极主要是增加了开关速度，减小开关损耗。不过在做并联使用的时候，就需要特别的设计来使用它。

开关单元（Active Cell ）

● 电流导通和关闭的路径；

● 所有的单元是并联；

● 固定的单元特性下，单元的数量决定了整个芯片的导通电阻大小和短路电流能力；

● 目前主要分为平面和沟槽两种结构。

现在，我们已经对SiC MOSFET的表面layout有了认识，在SiC的芯片里Edge terminal和Active Cell是非常重要的两部分，安森美在JTE的设计上具有丰富的经验，在SiC MOSET上已经从M1发展到了M3，通过几代的技术迭代发展，JTE设计仿真和制造非常的成熟。我们来总结一下JTE的一些特点和一些设计考虑因素。

SiC JTE（结延伸区）是用于改善硅碳化物（SiC）功率器件电压阻断能力的结构。SiC JTE的设计对于实现所需的击穿电压并避免因器件边缘处高电场而导致的过早击穿至关重要。

以下是SiC JTE设计的一些关键考虑因素：
1. JTE区域的宽度和掺杂：JTE区域的宽度和掺杂浓度确定器件边缘处的电场分布。较宽和重掺JTE区域可以减少电场并提高击穿电压。

2. JTE的锥角和深度：JTE的锥角和深度影响电场分布和击穿电压。较小的锥角和较深的JTE可以减少电场并提高击穿电压。

3. 表面钝化：表面钝化层对于减少表面泄漏并提高击穿电压非常重要。需要特别为SiC JTE器件精心设计和优化钝化层。

4. 热设计：SiC JTE器件可以在比其Si对应物更高的温度下工作。但是，高温也可能降低器件性能和可靠性。因此，在SiC JTE设计过程中应考虑热设计，如散热和热应力。

总体而言，SiC JTE设计是一个复杂的过程，涉及各种设计参数之间的权衡。需要进行仔细的优化和仿真，以实现所需的器件性能和可靠性。

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