随着电力电子技术的发展,产业界对于功率半导体的要求已由最初对功能性的要求逐渐转而成为对其性能以及可靠性的要求。硅基功率器件经历漫长的岁月已然接近其理论极限。在此背景下,碳化硅凭借其优良的材料特性成为了制造功率半导体理想的材料。然而碳化硅在带来优良性能的同时也带来了大量可靠性问题,而大多数可靠性问题均和温度相关。在碳化硅功率半导体器件中4H-SiC MOSFET受到温度的影响尤其明显,为了使得4H-SiC MOSFET能稳定地工作在安全工作区(Safe Operating Area,SOA),一般在智能功率模块中采用过温保护电路对其进行温度监测和过温保护,而过温保护的核心在于温度传感器。本文将主要采用TCAD Silvaco设计一种集成温度传感器的3300V 4H-SiC MOSFET。文章首先进行3300V 4H-SiC MOSFET元胞的设计工作,在仿真设计中将Athena与Atlas组合使用。首先通过Athena的工艺仿真得到合理的Pwell、N+和P+区域的纵向浓度分布,然后将针对4H-SiC MOSFET的重要尺寸参数进行优化设计。考虑到工艺平台的不稳定性和温漂可能对阈值电压造成的影响,该器件元胞的阈值电压设计为4.2V,相比于商业化产品偏高。元胞的击穿电压的设计为4688V,相较于额定耐压3300V该设计保留了30%的裕度。接下来文章将进行两种终端的优化设计。第一种终端结构是场限环,该终端具有与主器件工艺兼容的优点,该场限环与Pwell同一版次注入形成,通过调节环宽与环间距,最终设计的场限环终端实现96.81%的终端效率。此外,为了降低终端区的尺寸并提高离子注入浓度的工艺窗口,本文设计了另外一种补偿掺杂的结终端扩展结构(Counter Doped JTE),该终端结构通过对JTE区进行N型补偿注入形成,该终端结构的终端效率为98.3%,且JTE区离子注入浓度的工艺窗口扩大为传统JTE终端的1.6倍。文章接下来进行集成温度传感器的设计工作。设计中采用表面横向集成的肖特基二极管作为测温元件,通过选取恰当的静态工作点使其获得较好的线性度与灵敏度。当工作电流为0.5mA时,温度传感器的线性度和灵敏度分别达到0.99927和1.18mV/K。为了满足单片集成的要求,该温度传感器与主器件之间进行了充分的电学隔离,文章将对温度传感器与主器件之间的串扰进行了仿真分析,并在瞬态大功率自发热的仿真环境下分析温度传感器的响应速度。结果显示,温度传感器与主器件之间没有串扰产生,温度传感器测温与MOSFET实际发热时间之间具有0.5μs的延迟。在文章的最后对本次集成温度传感器的3300V 4H-SiC的关键工艺进行了简单的介绍,并且结合国内SiC工艺平台的实际条件完成了版图设计工作。该版图采用符合实际工艺条件的设计规则,在工艺允许的条件下使得芯片获得最大的有源区面积。