SEMICONDUCTOR — DEEP DIVE

SiC MOSFET — Planar & Trench:
SiC MOSFET — Planar & Trench

ENGINEERING

01 บทนำ: Sic Mosfet คืออะไร

SiC MOSFET (Silicon Carbide Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) คืออุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังแบบ Wide Bandgap (WBG) ที่กำลังเข้ามาปฏิวัติอุตสาหกรรม Power Electronics โดยเข้ามาแทนที่ Silicon IGBT ในหลายแอปพลิเคชันที่ต้องการประสิทธิภาพสูง แรงดันไฟฟ้าสูง และความถี่ในการสวิตชิ่งที่รวดเร็ว

ความสำคัญของ SiC MOSFET อยู่ที่คุณสมบัติทางฟิสิกส์ที่เหนือกว่าซิลิคอนทั่วไป เช่น Bandgap ที่กว้างถึง 3.26 eV ซึ่งส่งผลให้มีค่า Critical Breakdown Field สูงกว่าซิลิคอนเกือบ 10 เท่า ทำให้เราสามารถออกแบบชั้น Drift region ให้บางลงและมีความหนาแน่นของสารเจือปนสูงขึ้น ช่วยลดความต้านทานไฟฟ้ากระแสตรง (R_ds(on)) ได้อย่างมหาศาล และยังมีความสามารถในการระบายความร้อน (Thermal Conductivity) ที่ดีเยี่ยม ทำให้ SiC MOSFET เป็นหัวใจหลักในระบบขับเคลื่อนรถยนต์ไฟฟ้า (EV Inverters) และสถานีชาร์จความเร็วสูง

📍 CAREER ROADMAP CONTEXT

STAGE 02 — POWER DEVICES: IGBT, SiC MOSFET & GaN HEMT
IGBT structure (NPT/PT/FS) — Vce(sat) vs switching tradeoff; SiC MOSFET (planar/trench DMOS) — Rds(on), body diode issue; GaN HEMT — 2DEG, AlGaN/GaN, E-mode (p-GaN gate / cascode); SBD / JBS diode
Tools: TCAD (Sentaurus), Cadence Spectre power model simulation
Related: Power Semiconductor Devices · GaN HEMT & E-mode GaN · IGBT & SBD / JBS Diode
Path: Power Semiconductor Engineer

02 หลักการพื้นฐาน

หัวใจสำคัญของ SiC MOSFET คือความสัมพันธ์ระหว่างค่าความต้านทานและแรงดันพังทลาย (Breakdown Voltage) โดยมีสมการพื้นฐานสำหรับ Drift region คือ $ R_{on,sp} = \frac{4V_B^2}{\epsilon_s \mu_n E_c^3} $ โดยที่ $E_c$ คือ Critical Electric Field ซึ่งค่า $E_c$ ของ SiC นั้นสูงกว่า Silicon มาก ส่งผลให้ค่า $R_{on,sp}$ (Specific On-Resistance) ต่ำลงอย่างมีนัยสำคัญ

โครงสร้างหลักมีสองแบบคือ Planar และ Trench DMOS ซึ่งในโครงสร้าง Trench จะต้องมีการควบคุม Field Crowding ที่มุมของ Trench เพื่อป้องกัน Gate Oxide พังทลาย นอกจากนี้ยังมีประเด็นเรื่อง Body Diode ของ SiC MOSFET ซึ่งแม้จะมีคุณสมบัติการกู้คืนที่รวดเร็ว (Fast Reverse Recovery) แต่การเกิด Bipolar degradation ในบางกรณีอาจส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ในระยะยาว

03 วิธีการและเทคนิค

กระบวนการผลิต SiC MOSFET มีความท้าทายสูงเนื่องจากคุณสมบัติทางเคมีที่ทนทานของสารประกอบ SiC ทำให้การกัด (Etching) ต้องใช้เทคโนโลยี Plasma Etching ขั้นสูง (Inductively Coupled Plasma - ICP) เพื่อให้ได้โปรไฟล์ Trench ที่สะอาดและไม่มี Defect

ขั้นตอนสำคัญ ได้แก่ 1. Epitaxial Growth: การปลูกชั้น Drift layer บน SiC Substrate ที่มีความบริสุทธิ์สูง 2. Ion Implantation: การยิงสารเจือปนประเภท P-type (เช่น Aluminum) ซึ่งต้องทำที่อุณหภูมิสูงกว่า 1000°C เพื่อให้เกิดการกระตุ้นอะตอม 3. Gate Oxidation: กระบวนการสร้างชั้น SiO₂ บน SiC ซึ่งซับซ้อนกว่าซิลิคอนมากเนื่องจากปัญหา Interface Traps (D_it) ที่ความหนาแน่นสูง ทำให้ต้องใช้กระบวนการ Nitridation (เช่น NO หรือ N₂O Annealing) เพื่อลดค่าสถานะกับดักบนพื้นผิว

04 เทคนิคขั้นสูง

ความท้าทายระดับสูงในปัจจุบันคือการเพิ่ม Channel Mobility ซึ่งถูกจำกัดโดยความหนาแน่นของ Interface Traps ระหว่าง SiC และ SiO₂ นักออกแบบมักใช้การทำ High-Temperature Annealing หรือการใช้สารเติมแต่งพิเศษในกระบวนการออกซิเดชันเพื่อปรับปรุงคุณภาพของชั้น Gate Oxide

ในส่วนของ Parasitics ปัญหาที่พบคือ Miller Capacitance ($C_{gd}$) ที่ส่งผลต่อความเร็วในการ Switching และการเกิด Overshoot/Undershoot ของแรงดันไฟฟ้า การออกแบบ Advanced Gate Driver จึงต้องเน้นการจัดการกับ dv/dt ที่สูงมาก รวมถึงการใช้เทคโนโลยีอย่าง JBS (Junction Barrier Schottky) Diode ที่ฝังอยู่ในโครงสร้าง MOSFET เพื่อลดการสูญเสียพลังงานในขณะที่ Body Diode ทำงาน

05 เครื่องมือและอุปกรณ์

ในการออกแบบและจำลองพฤติกรรมของ SiC MOSFET วิศวกรจำเป็นต้องใช้ซอฟต์แวร์ TCAD (Sentaurus/Silvaco) เพื่อจำลองพฤติกรรมทางฟิสิกส์ระดับนาโนเมตร เช่น การไหลของประจุในชั้น Trench และการกระจายตัวของสนามไฟฟ้า (Electric Field Mapping)

สำหรับระดับระบบและวงจร นิยมใช้ Cadence Spectre ร่วมกับโมเดล Power Device เฉพาะทางที่รวมพฤติกรรม Non-linear Capacitance เข้าไป ในส่วนของอุปกรณ์การผลิต ผู้ผลิตชั้นนำระดับโลกอย่าง Applied Materials (AMAT) และ Lam Research เป็นผู้นำในเครื่องมือ Etch และ Deposition ที่ทนทานต่อสภาพแวดล้อมเฉพาะของ SiC นอกจากนี้ Tokyo Electron (TEL) ยังมีบทบาทสำคัญในเครื่องมือ Thermal Processing ที่อุณหภูมิสูงพิเศษ

06 การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม

ปัจจุบันอุตสาหกรรม SiC MOSFET กำลังเปลี่ยนผ่านจากการใช้ 6-inch Wafer ไปสู่ 8-inch Wafer เพื่อเพิ่ม Yield และลดต้นทุนการผลิต โดยมีผู้เล่นหลักในอุตสาหกรรม เช่น STMicroelectronics, Infineon, Wolfspeed, และ ON Semiconductor ซึ่งต่างเร่งกำลังการผลิตเพื่อรองรับตลาด EV

การที่โรงหล่ออย่าง TSMC และ Samsung เริ่มให้ความสำคัญกับ SiC-based Power Process แสดงให้เห็นถึงการหลอมรวมกันของ CMOS และ Power Device ในอนาคต การบริหารจัดการ Supply Chain ของ SiC Substrate ยังคงเป็นจุดยุทธศาสตร์สำคัญ เนื่องจากกระบวนการผลิต Crystal Growth มีความซับซ้อนและใช้เวลานาน ทำให้ความมั่นคงทางวัตถุดิบเป็นปัจจัยตัดสินความสำเร็จในตลาด Power Semiconductor ระดับโลก