radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2025-28-5-54-65radioelectronics-1074Research ArticleКВАНТОВАЯ, ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ, ПЛАЗМЕННАЯ И ВАКУУМНАЯ ЭЛЕКТРОНИКАQUANTUM, SOLID-STATE, PLASMA AND VACUUM ELECTRONICSЭлектрическая характеризация силовых карбидокремниевых MOSFET с линейным и гексагональным дизайном базовых ячеекElectrical Characterization of Power Silicon Carbide MOSFETs with Linear and Hexagonal Base Cell DesignsАфанасьевА. В.AfanasevAleksei V.

Афанасьев Алексей Валентинович – кандидат технических наук (1999), директор Института силовой электроники и фотоники; доцент кафедры микро- и наноэлектроники,

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022.

Aleksei V. Afanasev, Cand. Sci. (Eng.) (1999), Director of the Power Electronics and Photonics Institute, Associated Professor of the Micro- and Nanoelectronics Department,

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022.

avafanasev@etu.ruАфанасьевП. В.AfanasevPetr V.

Афанасьев Петр Валентинович – кандидат технических наук (2006), старший научный сотрудник Института силовой электроники и фотоники,

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022.

Petr V. Afanasev, Cand. Sci. (Eng.) (2006), Senior Researcher of the Power Electronics and Photonics Institute

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022. 

pvafanasev@etu.ruИльинВ. А.IlyinVladimir A.

Ильин Владимир Алексеевич – кандидат физико-математических наук (1981), ведущий научный сотрудник Института силовой электроники и фотоники,

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022.

Vladimir A. Ilyin, Cand. Sci. (Phys.-Math.) (1981), Leading Researcher of the Power Electronics and Photonics Institute,

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022. 

ilyincmid@gmail.comСерковА. В.SerkovAnton V.

Серков Антон Валерьевич – магистр техники и технологии по направлению "Электроника и микроэлектроника" (2011), научный сотрудник Института силовой электроники и фотоники,

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022.

Anton V. Serkov, Master's degree in Electronics and Microelectronics (2011), Researcher of the Power Electronics and Photonics Institute,

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022. 

av.serkov@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5812-1890ТрушляковаВ. В.TrushlyakovaValentina V.

Трушлякова Валентина Владимировна – кандидат технических наук (2008), научный сотрудник Института силовой электроники и фотоники, доцент кафедры микро- и наноэлектроники,

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022.

Valentina V. Trushlyakova, Cand. Sci. (Eng.) (2008), Researcher of the Power Electronics and Photonics Institute, Associated Professor of the Micro- and Nanoelectronics Department,

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022. 

vvtrushliakova@etu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6657-0992ЧигиревД. А.ChigirevDmitry A.

Чигирев Дмитрий Алексеевич – кандидат технических наук (2012), научный сотрудник Института силовой электроники и фотоники,

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022.

Dmitry A. Chigirev, Cand. Sci. (Eng.) (2012), Researcher of the Power Electronics and Photonics Institute,

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022. 

dachigirev@mail.ruШевченкоС. А.ShevchenkoSergey A.

Шевченко Сергей Александрович – кандидат технических наук (2021), доцент кафедры микроволновой электроники,

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022.

Sergey A. Shevchenko, Cand. Sci. (Eng.) (2021), Associated Professor of the Microwave Electronics Department,

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022. 

ashevchenko@etu.ruВосколовичА.VoskolovichAlexey

Восколович Алексей – магистр по направлению "Электроника и наноэлектроника" (2025), аспирант кафедры микро- и наноэлектроники,

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022.

Alexey Voskolovich, Master's degree in Electronics and Nanoelectronics (2025), Postgraduate Student of the Micro- and Nanoelectronics Department,

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022. 

aleksey.voskolovich@mail.ruПологовС. А.PologovSemen A.

Пологов Семен Александрович – магистр по направлению "Электроника и наноэлектроника" (2021), аспирант кафедры микро- и наноэлектроники,

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022.

Semen A. Pologov, Master's degree in Electronics and Nanoelectronics (2021), Postgraduate Student of the Micro- and Nanoelectronics Department,

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022. 

pologov_semen@mail.ruСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian Federation2025011220252855465Copyright © Афанасьев А.В., Афанасьев П.В., Ильин В.А., Серков А.В., Трушлякова В.В., Чигирев Д.А., Шевченко С.А., Восколович А., Пологов С.А., 20252025Афанасьев А.В., Афанасьев П.В., Ильин В.А., Серков А.В., Трушлякова В.В., Чигирев Д.А., Шевченко С.А., Восколович А., Пологов С.А.Afanasev A.V., Afanasev P.V., Ilyin V.A., Serkov A.V., Trushlyakova V.V., Chigirev D.A., Shevchenko S.A., Voskolovich A., Pologov S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/1074Введение

Введение. Силовая электроника на основе 4H-SiC активно развивается за счет достигнутого индустриальными странами высокого уровня промышленной технологии роста объемных кристаллов и эпитаксиальных структур карбида кремния и требует разработки новых конструкций МОП-транзисторов (MOSFET) и диодов Шоттки, совершенствования технологических процессов. Подобные исследования актуальны, востребованы и являются основой для широкого внедрения SiC-приборов в различные области силовой электроники и преобразовательной техники для достижения целевых показателей энергоэффективности.

Цель работы

Цель работы. Исследование и сопоставительный анализ характеристик энергоэффективности лабораторных образцов силовых 4H-SiC-MOSFET c дизайном базовых ячеек линейного и гексагонального типов.

Материалы и методы

Материалы и методы. На начальном этапе объектами исследования были лабораторные образцы 4H-SiCMOSFET малой площади с двумя типами ячеек, рассчитанные на напряжение до 1200 В. Затем были изготовлены и исследованы лабораторные образцы 4H-SiC-MOSFET с оптимизированными параметрами ячейки линейного типа с большей активной площадью. Транзисторы изготавливались в рамках лабораторного технологического маршрута без использования технологии формирования самосовмещенного канала. Характеризация образцов проводилась методами оптической и растровой электронной микроскопии, электрические параметры и характеристики измерялись на характериографе Keysight B1505A.

Результаты

Результаты. Сопоставительный анализ ВАХ показывает, что транзисторы с гексагональной топологией ячеек в отличие от структур с линейной топологией характеризуются более высокими значениями коммутируемых токов. При этом максимальная плотность тока JDS = 125 А/см2 не является критической для карбида кремния. Транзисторы с линейной топологией с уменьшенными размерами канала и увеличенной активной областью характеризуются более высокой плотностью тока и меньшим сопротивлением канала в открытом состоянии (Ron).

Заключение

Заключение. Образцы транзисторов с гексагональной топологией ячеек при равных значениях Ron характеризуются более высокими по отношению к транзисторам с линейной топологией значениями коммутируемых токов, но худшей воспроизводимостью параметров. Лабораторные образцы с оптимизированной линейной топологией ячеек характеризуются в ~4 раза меньшим Ron в сравнении с образцами с малой площадью активной области. Тем не менее выход годных транзисторов составляет менее 10 % по пороговому напряжению (Uth), что требует применения в маршруте их изготовления технологий самосовмещенного канала и литографии высокого разрешения при переходе к серийному производству.

Introduction

Introduction. The current advancement of 4H-SiC-based power electronics is driven by rapid progress in bulk and epitaxial growth technology of silicon carbide (SiC) crystals. This determines the demand for improved designs and manufacturing technologies of MOS transistors (MOSFET) and Schottky diodes. Research in this field is highly relevant for a widespread implementation of SiC devices in various areas of power electronics and conversion technology for achieving the required levels of energy efficiency.

Aim

Aim. Research and comparative analysis of electrical characteristics of 4H-SiC power MOSFET laboratory samples with linear and hexagonal base cell designs.

Materials and methods

Materials and methods. The initial objects of the study were laboratory samples of 4H-SiC-MOSFET with two types of cells and a small-size active area, designed for voltages up to 1200 V. At a later stage, 4H-SiC-MOSFET laboratory samples with optimized parameters of a linear-type cell and a larger active area were manufactured and investigated. The transistors were manufactured via a laboratory technological route without applying a self-aligned channel technology. The samples were characterized using optical and scanning electron microscopy (SEM). Electrical parameters were measured by a Keysight B1505A curve tracer.

Results

Results. The comparative analysis of the output characteristics of the samples showed that transistors with a hexagonal cell topology outperform those with a linear topology in terms of higher values of switching currents. However, the maximum current density JDS = 125 A/cm2 is not critical for silicon carbide. Improved transistors with a linear topology with reduced channel dimensions and an increased active area are characterized by a higher current density and a lower channel resistance in the open state (Ron).

Conclusion

Conclusion. Transistor samples with a hexagonal cell topology in comparison with those with a linear topology, under equal Ron, demonstrate higher values of switched currents but lower reproducibility of parameters. Laboratory samples with an improved linear cell topology are characterized by ~ 4 times lower Ron compared to those with a small active area. Nevertheless, the achieved transistor yield in terms of threshold voltage Uth was less than 10 %, which indicates the necessity of implementation of self-aligned channel technologies and high-resolution lithography in their manufacturing route when scaling up their production.

силовые полевые транзисторы (MOSFET)карбид кремниятопология ячеекэлектрическая характеризацияpower field-effect transistors (MOSFET)silicon carbidecell topologyelectrical characterizationReferencesKimoto T., Cooper J. A. Fundamentals of silicon carbide technology: growth, characterization, devices and applications. Singapore: John Wiley & Sons, 2014. 538 p. doi: 10.1002/9781118313534Kimoto T., Cooper J. A. Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices and Applications. Singapore,John Wiley & Sons, 2014, 538 p. doi: 10.1002/9781118313534.Афанасьев А. В., Ильин В. А., Лучинин В. В. Ионное легирование карбида кремния в технологии приборов силовой электроники. Обзор // Изв. вузов. Электроника. 2022. Т. 27, № 4. С. 439–462. doi: 10.24151/1561-5405-2022-27-4-439-462Afanasyev A. V., Ilyin V. A., Luchinin V. V. Ion Doping of Silicon Carbide in the Technology of Power Electronics Devices. Review. Electronics. 2022, vol. 27, no. 4, pp. 439–462. (In Russ.)Östling M. Silicon Carbide Power Devices: Evolution, Applications, and Future Opportunities // IEEE Electron Devices Magazine. 2024. Vol. 2, № 4. P. 30–35. doi: 10.1109/MED.2024.3476162Östling M. Silicon Carbide Power Devices: Evolution, Applications, and Future Opportunities. IEEE Electron Devices Magazine. 2024, vol. 2, no. 4, pp. 30–35. doi: 10.1109/MED.2024.3476162Review and Outlook on GaN and SiC Power Devices: Industrial State-of-the-Art, Applications, and Perspectives / M. Buffolo, D. Favero, A. Marcuzzi, C. De Santi, G. Meneghesso, E. Zanoni, M. Meneghini // IEEE Trans. on Electron Devices. 2024. Vol. 71, № 3. P. 1344–1355. doi: 10.1109/TED.2023.3346369Buffolo M., Favero D., Marcuzzi A., De Santi C., Meneghesso G., Zanoni E., Meneghini M. Review and Out-look on GaN and SiC Power Devices: Industrial State-of-the-Art, Applications, and Perspectives. IEEE Transactions on Electron Devices. 2024, vol. 71, no. 3, pp. 1344–1355. doi: 10.1109/TED.2023.3346369Konrath J. P. Review on Modeling and Mitigation of Bipolar Degradation in 4H-SiC // Power Electronic Devices and Components. 2024. Vol. 7. P. 100062-1–100062-8. doi: 10.1016/j.pedc.2024.100062Konrath J. P. Review on Modeling and Mitigation of Bipolar Degradation in 4H-SiC. Power Electronic Devices and Components. 2024, vol. 7, pp. 100062-1–100062-8. doi: 10.1016/j.pedc.2024.100062Sub-nanosecond semiconductor opening switches based on 4H-SiC p+p0n+-diodes / I. V. Grekhov, P. A. Ivanov, D. V. Khristyuk, S. V. Korotkov, T. P. Samsonova, A. O. Konstantinov // Solid-State Electronics. 2003. Vol. 47, № 10. P. 1769–1774. doi: 10.1016/S0038-1101(03)00157-6Grekhov I. V., Ivanov P. A., Khristyuk D. V., Korotkov S. V., Samsonova T. P., Konstantinov A. O. Sub-Nanosecond Semiconductor Opening Switches Based on 4H-SiC p+p0n+-Diodes. Solid-State Electronics. 2003, vol. 47, no. 10, pp. 1769–1774. doi: 10.1016/S0038-1101(03)00157-6Superfast drift step recovery diodes (DSRDS) and vacuum field emission diodes based on 4H-SiC / A. V. Afanasyev, B. V. Ivanov, V. A. Ilyin, A. F. KardoSysoev, M. A. Kuznetsova, V. V. Luchinin // Materials Science Forum. 2013. Vol. 740–742. P. 1010–1013. doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.740-742.1010Afanasyev A. V., Ivanov B. V., Ilyin V. A., KardoSysoev A. F., Kuznetsova M. A., Luchinin V. V. Superfast Drift Step Recovery Diodes (DSRDS) and Vacuum Field Emission Diodes Based on 4H-SiC. Materials Science Forum. 2013, vol. 740 –742, pp. 1010 –1013. doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.740-742.101030 kV pulse diode stack based on 4H-SiC / V. A. Ilyin, A. V. Afanasyev, Yu. A. Demin, B. V. Ivanov, A. F. Kardo-Sysoev, V. V. Luchinin, S. A. Reshanov, A. Schöner, K. A. Sergushichev, A. A. Smirnov // Materials Science Forum. 2018. Vol. 924. P. 841–844. doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.924.841Ilyin V. A., Afanasyev A. V., Demin Yu. A., Ivanov B. V., Kardo-Sysoev A. F., Luchinin V. V., Reshanov S. A., Schöner A., Sergushichev K. A., Smirnov A. A. 30 kV Pulse Diode Stack Based on 4H-SiC. Materials Science Forum. 2018, vol. 924, pp. 841–844. doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.924.841Мегаваттный генератор наносекундных импульсов на основе карбидокремниевых дрейфовых диодов с резким восстановлением / А. В. Афанасьев, Ю. А. Демин, Б. В. Иванов, В. А. Ильин, В. В. Лучинин, К. А. Сергушичев, А. А. Смирнов, А. Ф. Кардо-Сысоев // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2015. № 3. С. 21–24.Afanasyev A. V., Demin Yu. A., Ivanov B. V., Ilyin V. A., Luchinin V. V., Serguibchev K. A., Smirnov A. A., Kardo-Sysoev A. F. Megawatt Generator of Nanosecond Pulses Based on Silicon Carbide Drift Diodes with Sharp Recovery. J. of the Russian Universities. Radioelectronics. 2015, no. 3, pp. 21–24. (In Russ.)Пат. 2836475 C1 РФ МПК H10D 8/00. Дрейфовый диод с резким восстановлением обратного сопротивления на основе карбида кремния политипа 4H / А. В. Афанасьев, О. В. Афанасьева, П. В. Афанасьев, В. В. Вересоой, В. А, Ильин, Б. В. Иванов, А. В. Серков, Д. А. Чигирев, С. А. Шевченко. Опубл. 17.03.2025. 11 с.Afanasyev A. V., Afanasyeva O. V., Afanasyev P. V., Veresooi V. V., Ilyin V. A, Ivanov B. V., Serkov A. V., Chigirev D. A., Shevchenko S. A. Dreyfovyy diod s rezkim vosstanovleniyem obratnogo soprotivleniya na osnove karbida kremniya politipa 4H [Drift Diode with Sharp Recovery of Reverse Re-Sistance Based on Silicon Carbide Polytype 4H]. Patent no. 2836475 C1, 2024. (In Russ.)Baliga B. J. Fundamentals of Power Semiconductor Devices. Cham: Springer, 2019. 1086 p. doi: 10.1007/978-3-319-93988-9Baliga B. J. Fundamentals of Power Semiconductor Devices. Cham, Springer, 2019, 1086 p. doi: 10.1007/978-3-319-93988-9Müting J., Grossner U. Simulation-Based Sensitivity Analysis of Conduction and Switching Losses for Silicon Carbide Power MOSFETs // Materials Science Forum. 2018. Vol. 924. P. 693–696. doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.924.693Müting J., Grossner U. Simulation-Based Sensitivity Analysis of Conduction and Switching Losses for Silicon Carbide Power MOSFETs. Materials Science Forum. 2018, vol. 924, pp. 693–696. doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.924.693Agarwal A., Han K., Baliga B. J. Assessment of Linear, Hexagonal, and Octagonal Cell Topologies for 650 V 4H-SiC Inversion-Channel Planar-Gate Power JBSFETs Fabricated With 27 nm Gate Oxide Thickness // IEEE J.of the Electron Devices Society. 2021. Vol. 9. P. 79−88. doi: 10.1109/JEDS.2020.3040353Agarwal A., Han K., Baliga B. J. Assessment of Linear, Hexagonal and Octagonal Cell Topologies for 650 V 4H-SiC Inversion-Channel Planar-Gate Power JBSFETs Fabricated With 27 nm Gate Oxide Thickness. IEEE J. of the Electron Devices Society. 2021, vol. 9, pp. 79–88. doi: 10.1109/JEDS.2020.3040353Отечественная карбидокремниевая электронная компонентная база – силовой SiC МДП-транзистор / А. В. Афанасьев, В. А. Ильин, В. В. Лучинин, А. И. Михайлов, С. А. Решанов, А. Schöner // Нано- и микросистемная техника. 2016. Т. 18, № 5. С. 308−316.Afanasyev A. V., Ilyin V. A., Luchinin V. V., Mikhailov A. I., Reshanov S. A., Schöner A. National Silicon Carbide Electronic Component Base – Power SiC MOSFET Transistor. Nano- and Microsystems Technology. 2016, vol. 18, no. 5, pp. 308–316. (In Russ.)Газофазная эпитаксия – ключевая технология силовых МДП-транзисторов на карбиде кремния / А. В. Афанасьев, В. А. Ильин, В. В. Лучинин, А. И. Михайлов // Наноиндустрия. 2018. № 7–8. С. 488–497.Afanasyev A. V., Ilyin V. A., Luchinin V. V., Mikhailov A. I. Gas-Phase Epitaxy Is A Key Technology for Power MOSFET on Silicon Carbide. Nanoindustry. 2018, no. 7–8, pp. 488–497. (In Russ.)О формировании низкоомных контактов для биполярных приборов на основе 4H-SiC / А. В. Афанасьев, В. А. Ильин, В. В. Лучинин, А. В. Серков, Д. А. Чигирев // Физика и техника полупроводников. 2022. Т. 56, вып. 6. С. 607–610. doi: 10.21883/FTP.2022.06.52598.9827Afanasyev A. V., Ilyin V. A., Luchinin V. V., Serkov A. V., Chigirev D. A. On the Formation of Low-Resistance Contacts for Bipolar Devices Based on 4H-SiC. Physics and Technology Of Semiconductors. 2022, vol. 56, no. 6, pp. 607–610. (In Russ.)Matin M., Saha A., Cooper J. A. A self-aligned process for high-voltage, short-channel vertical DMOSFETs in 4H-SiC // IEEE Transactions on Electron Devices. 2004. Vol. 51, № 10. P. 1721−1725. doi: 10.1109/TED.2004.835622Matin M., Saha A., Cooper J. A. A Self-Aligned Process for High-Voltage, Short-Channel Vertical DMOSFETs in 4H-SiC. IEEE Transactions on Electron Devices. 2004, vol. 51, no. 10, pp. 1721–1725. doi: 10.1109/TED.2004.835622A Channel Self-Alignment process for HighVoltage VDMOSFETs in 4H-SiC / H. Ge, T. Zhu, S. Chang, W. Zhao, X. Bai // J. of Physics: Conf. Series. 2021. Vol. 2083, № 2. P. 022092-1–022092-7. doi: 10.1088/1742-6596/2083/2/022092Ge H., Zhu T., Chang S., Zhao W., Bai X. A Channel Self-Alignment process for High-Voltage VDMOSFETs in 4H-SiC. J. of Physics: Conference Series. 2021, no. 2083, pp. 022092-1–022092-7. doi: 10.1088/1742-6596/2083/2/022092Stpower Gen3 SiC MOSFETs Ideal for EV. URL: https://www.st.com/resource/en/flyer/flgen3sicev.pdf (дата обращения: 25.05.2025).Stpower Gen3 SiC MOSFETs Ideal for EV. Available at: https://www.st.com/resource/en/flyer/flgen3sicev.pdf (accessed 25.05.2025).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.