SiC MOSFET 芯片解说— 看懂结构图中的栅极下方的P⁺，P shielding

上次聊了P-base（P基区）旁边的P⁺——它的作用是防止寄生三极管导通。

SiC MOSFET 芯片结构解说：— 看懂结构图中的P base中的 P⁺，炸管元凶之一

芯片结构图里还有另一个P⁺，位置在栅极下方，如下图所示。每家厂商的设计都有它，具体形状和位置略有差异。这块P⁺有个专门的名字：P Shield（P型屏蔽层）。它的主要作用，是保护栅极氧化膜不被击穿。

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击穿看的不是电压，是电场强度

说"保护氧化膜不被击穿"，首先要搞清楚：到底是什么东西把绝缘材料击穿的？

答案不是电压本身，而是电场强度——也就是单位距离上的电压变化量。

举个例子：同样是1200V，如果均匀分布在100微米厚的材料里，电场强度是1.2×10⁷ V/m；但如果这1200V被"挤"进1微米的范围内，电场强度就变成1.2×10⁹ V/m，整整高出两个数量级，足以击穿绝大多数材料。

所以我们真正要关心的，不是"有多少伏"，而是"电场在哪里集中、集中到什么程度"。

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先看最简单的情况：平整的PN结

为了说清楚问题，做了一些仿真模拟。SiC MOSFET里的N漂移区和上方的P基区，在最简化的情况下，可以近似成一个PN结。模拟中对N区施加正电压，P区接地，观察电场和电场强度的分布。

下图是电场（单位是V）分布的结果。图中的线是等值线。

可以看到电场分布相当均匀，从N到P逐渐减少到0。整个区域共同承担了电压。由于N drift区域的掺杂浓度低，电场主要在N区域分布。

然后让我们再来看看电场强度（单位是V/m）的分布结果。图中的线是等值线。可以看到在电压高的位置电场强度并不高，电场强度最高的位置在PN的交界处。这和理论完全一致。如果这个PN结发生击穿，最危险的地方就在这里。

这是最理想的情况，电场均匀分布。

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挖一个沟槽，麻烦来了

SiC MOSFET通常采用沟槽栅（Trench Gate）结构——从P型区域向下挖一个沟，让栅极一直延伸到N区。如果我们在模型中也加入这样一个结构，结果会发生什么变化。

下图是电压（单位是V）分布的结果。图中的线是等值线。可以看到电场分布从N到P逐渐减少到0。电场分布几乎只在N区。另外和上面的没有沟槽的电场分布相比，这里的等值线在沟槽附近出现了弯曲。

下图是有了沟槽的电场强度（单位是V/m）的分布结果。图中的线是等值线。可以看到电场强度在沟槽的角落处出现了集中。容易造成沟槽角落的绝缘击穿。

为什么角落会发生电场强度集中？

原因在于：如下图所示，沟槽侧壁旁边，电场方向垂直朝向；沟槽底面旁边，电场方向水平朝向。这两个方向的电场各走各的，本来相安无事。但到了底角这个点，水平和竖直两个方向的电场线必须在这里"交接"，完成方向切换——而这个角落的空间极小，所有的转换都挤在同一个点发生，电场在此急剧变化，强度自然就升高了。一旦电场强度超过材料耐压，氧化膜就会被击穿，器件损坏。

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P Shield：减少栅极电场强度

既然问题出在栅极底角的电场集中，解决思路就很直接：让电场绕开栅极底角。

工程上的标准做法是，在沟槽底部下方加一块P型（或P⁺型）区域，也就是P Shield。

P⁺区域有一个关键特性：由于其掺杂浓度远高于相邻的N区，电场几乎完全被"限制"在N区内，很难穿过P⁺继续延伸。掺杂影响电场分布在之前一篇文章中有详细介绍，SiC MOSFET 芯片结构解说（二）— 芯片的耐压设计：看懂结构图中的 N⁻ 和 N⁺

换句话说，P Shield就像在栅极下方立了一道屏蔽墙，让电场绕开栅极下方，不让它向栅极氧化层方向集中。原本挤在底角的高强度电场，被P Shield重新分配到更大的N区范围内，每一处的强度都降下来了，栅极氧化层也就安全了。

加了P Shield之后，仿真结果清楚地显示，沟槽底角的电场强度集中得到了明显缓解。通过调整P Shield的大小和形状，还可以进一步控制电场分布的效果。

图片来源：
https://www.mdpi.com/2079-9292/11/7/1077

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P Shield的代价：导通电阻会增大

P Shield不是没有代价的。

电流从源极流向漏极时，要穿过P基区，进入下方的N漂移区。P Shield正好位于沟槽底部下方，电流必须绕过它才能进入N漂移区，可通过的截面积因此被压缩，相当于在电流路径上加了一道"障碍"，导致导通电阻（Ron）升高。

这是P Shield设计中最核心的权衡：保护栅极氧化层 vs 导通电阻增大

P Shield面积越大，对栅极的保护越好，但电流路径受到的阻碍也越严重，Ron越高。所以实际设计中，P Shield的形状和尺寸是在这两者之间反复权衡的结果——既要挡住电场，又不能把导通电阻做得太差。

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总结

击穿看的是电场强度，不是电压。 电场集中在哪里、强度有多高，才是决定器件能否安全工作的关键。

沟槽底角容易电场集中。 原因是电场线在此交汇转向，空间极小，强度必然升高，紧邻的栅极氧化膜因此面临击穿风险。

P Shield的核心逻辑是"挡住电场"。 用P⁺区域让电场绕开栅极氧化层底部；但同时会压缩电流通道，带来导通电阻增大的代价，需要在设计中仔细权衡。

来源： SiC产学研

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