由于SiC MOSFET具有取代現(xiàn)有的硅超級(jí)結(jié)（SJ）晶體管和集成柵雙極晶體管（IGBT）技術(shù)的潛力，因此受到了特別的關(guān)注。2010年以來(lái)，碳化硅功率MOSFET市場(chǎng)顯著擴(kuò)大，現(xiàn)在每年超過(guò)2億美元。尤其是隨著SiC在汽車、光伏、鐵路等多個(gè)市場(chǎng)取代硅技術(shù)，許多新的參與者已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，有望實(shí)現(xiàn)兩位數(shù)的復(fù)合年增長(zhǎng)率。

通常，SiC 功率MOSFET的工作電壓為1200或1700 V，旨在取代IGBT技術(shù)。但SiC MOSFET 有它的一些問(wèn)題，其中大部分與柵氧化層直接相關(guān)。另外，寬禁帶器件的一個(gè)問(wèn)題是，在反向偏置過(guò)程中，在柵極氧化物處有更高的電場(chǎng)。為了利用碳化硅的高擊穿能力，緩解柵極氧化物處的電場(chǎng)是必要的。為了改善這一問(wèn)題，在源極溝槽的底部采用具有p型區(qū)域的雙溝槽結(jié)構(gòu)，它比柵極溝槽的底部更深。單溝槽和雙溝槽的仿真結(jié)果中，雙溝槽結(jié)構(gòu)的溝槽底部電場(chǎng)濃度更低，這種結(jié)構(gòu)防止了對(duì)柵極溝槽處的氧化層破壞。通過(guò)引入溝槽結(jié)構(gòu)，可以有效地降低了電場(chǎng)，從而提高了器件性能。

SiC功率MOSFET通常采用平面結(jié)構(gòu)或者溝槽結(jié)構(gòu)，在650~3300 V電壓范圍內(nèi)已形成成熟的產(chǎn)品技術(shù)。目前SiC MOSFET的發(fā)展趨勢(shì)有四個(gè)方向：更小的元胞尺寸，更低的比導(dǎo)通阻，更低的開(kāi)關(guān)損耗，更好的柵氧保護(hù)，提高器件的性能和可靠性。

平面型 OR 溝槽型？

SiC MOSFET自2010年Cree和ROHM推出1G以來(lái)，平面柵結(jié)構(gòu)一直被使用，但平面柵結(jié)構(gòu)限制了元胞間距的減小速率，預(yù)計(jì)在更高代次的產(chǎn)品中溝槽柵結(jié)構(gòu)將取代平面柵結(jié)構(gòu)。功率晶體管由很多個(gè)元胞組成，這些元胞以間距大小Cell Pitch為特征。技術(shù)擴(kuò)展旨在減少晶體管元胞間距。

RONxA表示芯片每平方毫米的導(dǎo)通電阻，通常用mΩ x mm2單位表示。對(duì)于垂直晶體管，RONxA取決于晶體管布局、垂直結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)摻雜分布設(shè)計(jì)。RONxA越小，芯片尺寸越小,同時(shí)降低了成本/價(jià)格、晶體管電容、動(dòng)態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間。

與高級(jí)邏輯CMOS一樣，功率晶體管技術(shù)的發(fā)展是由降低成本和提高性能的需求推動(dòng)的。這些目標(biāo)是通過(guò)開(kāi)發(fā)新的晶體管結(jié)構(gòu)和縮小尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于恒定的Ron值，芯片面積每三年比上一代減小0.7倍。自2016年以來(lái)，領(lǐng)先制造商已推出商用溝槽柵SiC MOSFET，更小的元胞尺寸給這些器件的可靠性和魯棒性帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

典型的SiC MOSFET結(jié)構(gòu)

SiC MOSFET平面結(jié)構(gòu)：特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，單元的一致性較好，雪崩能量比較高。但是，這種結(jié)構(gòu)的中間，N區(qū)夾在兩個(gè)P區(qū)域之間，當(dāng)電流被限制在靠近P體區(qū)域的狹窄的N區(qū)中流過(guò)時(shí)，將產(chǎn)生JFET效應(yīng)，從而增加通態(tài)電阻；同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的寄生電容也較大。

SiC MOSFET溝槽結(jié)構(gòu)：是將柵極埋入基體中形成垂直溝道，盡管其工藝復(fù)雜，單元一致性比平面結(jié)構(gòu)差。但是，溝槽結(jié)構(gòu)可以增加單元密度，沒(méi)有JFET效應(yīng)，寄生電容更小，開(kāi)關(guān)速度快，開(kāi)關(guān)損耗非常低；而且，通過(guò)選取合適溝道晶面以及優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)最佳的溝道遷移率，明顯降低導(dǎo)通電阻，因此，新一代SiC MOSFET主要研究和采用這種結(jié)構(gòu)。

目前，SiC MOSFET溝道遷移率低的問(wèn)題仍然比較突出，對(duì)于中低壓器件（650~1700 V）溝道電阻占總導(dǎo)通電阻的比例較高。

相對(duì)而言，平面柵SiC MOSFET工藝復(fù)雜度沒(méi)那么高，而且開(kāi)發(fā)歷史比較長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品較早實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，并且在特拉斯、比亞迪等眾多車企帶動(dòng)下，平面柵SiC MOSFET功率模塊自2018年就進(jìn)入了主驅(qū)逆變器。

溝槽柵SiC MOSFET的發(fā)展則較為緩慢，主要受限于工藝水平和柵氧可靠性等問(wèn)題，比如柵極溝槽底部電場(chǎng)集中，通常會(huì)引發(fā)長(zhǎng)期可靠性問(wèn)題。盡管如此，國(guó)內(nèi)外依舊有眾多的企業(yè)和機(jī)構(gòu)在研發(fā)溝槽柵 SiC MOSFET，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)理論上，可以最大限度地發(fā)揮SiC材料的特性，尤其是可以進(jìn)一步降低器件成本和導(dǎo)通電阻。目前碳化硅器件的價(jià)格仍然是硅器件的4倍左右，因此僅在一些對(duì)體積和效率要求比較高的場(chǎng)景，SiC MOSFET的滲透率會(huì)快一些，所以亟需降低成本以加速打入更多應(yīng)用場(chǎng)景。

目前，市場(chǎng)上這兩種結(jié)構(gòu)應(yīng)用比較典型的是羅姆和英飛凌科采用溝槽結(jié)構(gòu)SiC MOSFET，溝槽型沒(méi)有結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）區(qū)，具有更高的溝道密度，同時(shí)溝道所在SiC晶面具有較高的溝道遷移率，因此能夠?qū)崿F(xiàn)更低的比導(dǎo)通電阻。而Cree和意法半導(dǎo)體兩家公司采用平面結(jié)構(gòu)SiC MOSFET，通過(guò)優(yōu)化器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了性能和可靠性俱佳的產(chǎn)品技術(shù)，得到了廣泛的應(yīng)用。接下來(lái)，我們來(lái)具體看下巨頭們的技術(shù)路線選擇。

巨頭們的選擇

英飛凌:半包溝槽結(jié)構(gòu)

英飛凌的半包溝槽結(jié)構(gòu)是業(yè)界不多的幾個(gè)能夠量產(chǎn)上車的碳化硅溝槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。例如，英飛凌CoolSiC? MOSFET采用了不對(duì)稱的溝槽結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中MOS溝道選擇了最有利的方向。

今年，英飛凌對(duì)外宣布目前已有的碳化硅訂單使得2022財(cái)年來(lái)自碳化硅產(chǎn)品的收入超過(guò)去年近一倍，沖擊3億歐元。預(yù)測(cè)到2025年前后碳化硅功率器件產(chǎn)品線可以為公司帶來(lái)10億美元左右的營(yíng)收。

目前已經(jīng)開(kāi)始英飛凌貢獻(xiàn)碳化硅產(chǎn)品營(yíng)收的客戶包括現(xiàn)代集團(tuán)，其Ioniq 5電動(dòng)緊湊型休旅車采用緯湃科技Vitesco提供的800V逆變器，內(nèi)部使用的碳化硅模塊即來(lái)自英飛凌。與此同時(shí)，英飛凌還是小鵬汽車的碳化硅模塊的主要提供商，用于旗艦SUV車型G9中，預(yù)計(jì)今年第3季度起正式交付。

羅姆：第四代雙溝槽將成為主力

據(jù)公開(kāi)消息，羅姆目前已經(jīng)規(guī)劃在2021年至2025年的5年間，投入1200億至1700億日元（10億-13億美元）的資金，將碳化硅產(chǎn)能擴(kuò)充至少6倍。

在碳化硅器件技術(shù)方面羅姆也處于領(lǐng)先地位。2010 年公司就開(kāi)始量產(chǎn)首款碳化硅MOSFET，與之后推出的第2代產(chǎn)品都采用平面柵極設(shè)計(jì)。2015年羅姆又領(lǐng)先競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，率先量產(chǎn)雙溝槽結(jié)構(gòu)的第3代產(chǎn)品。目前，ROHM公司開(kāi)發(fā)出了雙溝槽MOSFET結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)同時(shí)具有源極溝槽和柵極溝槽。

FUJI公司：P阱覆蓋溝槽底部溝槽底部的柵極氧化物的結(jié)構(gòu)

采用了一種用P阱覆蓋溝槽底部溝槽底部的柵極氧化物的結(jié)構(gòu)，同時(shí)減小了cell pitch并優(yōu)化了MOS溝道長(zhǎng)度及JFET區(qū)域。該結(jié)構(gòu)使得溝槽底部P阱底角部分的電場(chǎng)達(dá)到最大值，從而使得柵極氧化物中的電場(chǎng)得到松弛。為了同時(shí)建立高閾值電壓和低導(dǎo)通電阻,設(shè)計(jì)減少了cell pitch并優(yōu)化了MOS溝道長(zhǎng)度，隨著cell間距的收縮，在導(dǎo)通狀態(tài)下電阻比例降低。為了同時(shí)建立低導(dǎo)通電阻和高擊穿電壓，將JFET區(qū)域優(yōu)化在溝槽底部P阱和源極接觸點(diǎn)下方之間的區(qū)域。通過(guò)對(duì)這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使得導(dǎo)通電阻降低了3%的同時(shí)提高2%的擊穿電壓。

Mitsubishi公司：溝槽型SiC-MOSFET，采用了獨(dú)特電場(chǎng)限制結(jié)構(gòu)

在垂直溝槽方向注入鋁元素，使溝槽底部形成電場(chǎng)限制層，再通過(guò)其新技術(shù)斜向注入鋁，形成連接電場(chǎng)場(chǎng)限制層和源極的側(cè)接地，并斜向注入氮元素，再局部形成更容易導(dǎo)電的高濃度摻雜層。電場(chǎng)限制層將施加在柵極絕緣膜上的電場(chǎng)降低到傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)水平，保證耐壓的同時(shí)，提高器件的可靠性。連接電場(chǎng)限制層和源極的側(cè)接地，實(shí)現(xiàn)了高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作，減少開(kāi)關(guān)損耗。與平面結(jié)構(gòu)相比，溝槽型器件Cell pitch更小，所以功率器件能排列更多的元胞。元胞高密度排列使得流動(dòng)的電流變多，但各柵極的之間的間隔太小就會(huì)導(dǎo)致路徑變窄，電流流動(dòng)困難。將氮元素斜向注入，在局部形成更容易導(dǎo)電的高濃度摻雜層，使電流路徑上的電流變得容易傳輸，從而降低電流通路的電阻。與沒(méi)用高濃度層相比，電阻率降低了約25%。

HestiaPower公司：提出了一種結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管集成碳化硅MOSFET

將DMOS和結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管（JBS）合并到單片SiC器件中，分別在n+/p+區(qū)形成歐姆接觸，在漂移層形成肖特基接觸，在MOSFET的有源區(qū)形成嵌入JBS。

JMOS器件比傳統(tǒng)SiC DMOS具有更低的反向?qū)▔航?，VSD改善了47%。在動(dòng)態(tài)性能方面也具有優(yōu)越性，反向恢復(fù)電荷（Qrr）降低54%，最大反向恢復(fù)電流（IRMax）降低40%。當(dāng)SiC MOSFET中的寄生體二極管開(kāi)啟時(shí)，集成JBS還可以防止由于注入的少數(shù)載流子的復(fù)合而導(dǎo)致的位錯(cuò)缺陷轉(zhuǎn)變?yōu)閷渝e(cuò)而導(dǎo)致的潛在失效。且無(wú)需任何附加工藝和面積損失，是一種成本效益高的方法。

意法半導(dǎo)體：深挖平面潛力，布局溝槽

根據(jù)意法半導(dǎo)體在近期財(cái)報(bào)中透露的最新數(shù)據(jù)，截止2022財(cái)年第1季度，公司碳化硅產(chǎn)品已經(jīng)在75個(gè)客戶的98個(gè)項(xiàng)目中送樣測(cè)試，其中工業(yè)應(yīng)用和電動(dòng)汽車應(yīng)用各占一半。

意法在碳化硅研發(fā)上繼續(xù)投入相當(dāng)資源。在生產(chǎn)技術(shù)上，意法于2021年年中宣布其挪威分部STMicroelectronics Silicon Carbide A.B. 開(kāi)始進(jìn)行8寸碳化硅材料的實(shí)驗(yàn)室制造，預(yù)計(jì)相應(yīng)技術(shù)將在2025年前后成熟，并應(yīng)用到規(guī)劃中的新加坡8寸碳化硅生產(chǎn)線中。

在芯片設(shè)計(jì)上意法繼續(xù)深挖平面設(shè)計(jì)碳化硅MOSFET的技術(shù)潛力，推出了第4代平面柵碳化硅，并在今年第二季度量產(chǎn)。而之前規(guī)劃的溝槽柵設(shè)計(jì)產(chǎn)品則順延成為意法的第5代碳化硅MOSFET，目前應(yīng)該在工程樣品測(cè)試階段，量產(chǎn)時(shí)間待定。相比上一代產(chǎn)品，第4代平面柵碳化硅的性能有所進(jìn)步，包括導(dǎo)通電阻減少15%，工作頻率增加一倍至1MHz。

Wolfspeed：平面柵SiC MOSFET的技術(shù)優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)未耗盡

6月27日，德國(guó)媒體Elektroniknet發(fā)布了一篇采訪Wolfspeed聯(lián)合創(chuàng)始人John Palmour博士的文章。報(bào)道稱，John Palmour從一開(kāi)始就致力于碳化硅二極管和MOSFET的開(kāi)發(fā)，作為Wolfspeed的CTO，他認(rèn)為平面柵SiC MOSFET的技術(shù)優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)未耗盡。

Wolfspeed累積的Design-in金額在87億美元這個(gè)驚人的水平，其中包括大眾集團(tuán)“未來(lái)汽車供應(yīng)路線（FAST）”計(jì)劃和通用汽車奧騰能平臺(tái)項(xiàng)目。另外，市場(chǎng)也傳言戴姆勒集團(tuán)和奧迪的下一代E-tron車型也選擇了Wolfspeed的產(chǎn)品。Wolfspeed的碳化硅MOSFET采用平面設(shè)計(jì)，目前處于第3代（Gen 3），涵蓋650V到1200V之間的多個(gè)電壓規(guī)格。與之前兩代產(chǎn)品相比，Gen 3 平面MOSFET采用六邊形晶胞微觀設(shè)計(jì)，650V Gen 3和1200V Gen 3+的單位面積導(dǎo)通電阻分別為2.3 m?·cm2和2.7 m?·cm2，較上一代Strip Cell減少了16%。目前Wolfspeed的Gen 4 溝槽柵仍在開(kāi)發(fā)中，具體量產(chǎn)時(shí)間還沒(méi)有透露。

2022年溝槽柵SiC MOSFET快速上車，布局行業(yè)市場(chǎng)

除了羅姆外、英飛凌、博世、電裝等眾多國(guó)內(nèi)外企業(yè)都在開(kāi)發(fā)溝槽柵產(chǎn)品，且多家企業(yè)的產(chǎn)品已經(jīng)成功量產(chǎn)，意法半導(dǎo)體、安森美等企業(yè)也在布局開(kāi)發(fā)自己的溝槽柵SiC MOSFET。

2022年，SiC MOSFET繼續(xù)上車。據(jù)公開(kāi)報(bào)道不完全統(tǒng)計(jì)，今年1-7月，全球新增了多款SiC車型，包括：豐田旗下的雷克薩斯RZ、現(xiàn)代旗下IONIQ6、吉利旗下的Smart精靈#1以及蔚來(lái)旗下的ES7等。除了蔚來(lái)外，上述車型都采用了溝槽柵SiC MOSFET供應(yīng)商，包括電裝、博世、英飛凌、羅姆。

截至目前，豐田、現(xiàn)代和吉利等多家車企的主驅(qū)都已采用溝槽柵SiC MOSFET，其供應(yīng)商包括電裝、英飛凌、博世和羅姆等。中國(guó)方面，多家公司也將溝槽SiC MOSFET作為技術(shù)開(kāi)發(fā)重點(diǎn)，甚至已有一家國(guó)內(nèi)企業(yè)已經(jīng)量產(chǎn)了溝槽SiC MOSFET，其成本相比平面SiC MOSFET可降低40%。目前該產(chǎn)品正在進(jìn)行上車驗(yàn)證，預(yù)計(jì)明年即將在國(guó)內(nèi)的自有晶圓廠完成流片。

另外，從今年上車的情況來(lái)看，博世、英飛凌和羅姆等企業(yè)似乎已經(jīng)針對(duì)溝槽柵SiC MOSFET的可靠性課題，找到了緩和柵極溝槽底部的電場(chǎng)集中問(wèn)題的技術(shù)和工藝，來(lái)確保產(chǎn)品長(zhǎng)期可靠性。目前，我國(guó)的安海半導(dǎo)體在2022年初成功研發(fā)出第一代溝槽柵SiC MOS，單芯片內(nèi)阻達(dá)到新能源主驅(qū)應(yīng)用級(jí)別：1200V 15mΩ的SiC MOSFET，芯片面積相較目前國(guó)外知名品牌同規(guī)格的SiC MOS都要?。▎涡酒娣e小于20mm2），目前已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，正在上車驗(yàn)證中。另外，安海第二代溝槽柵SiC MOS也正在研發(fā)中，有望于2023年初在國(guó)內(nèi)自有晶圓廠完成流片。

當(dāng)然，設(shè)計(jì)、制造高性能的溝槽柵SiC MOSFET也是我國(guó)SiC功率器件發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急，部分企業(yè)、事業(yè)單位已經(jīng)將研究的重心轉(zhuǎn)移至溝槽柵SiC MOSFET，比如杭州電子科技大學(xué)、香港科技大學(xué)等。

溝槽是潮流，一定要做溝槽？

對(duì)于是否一定要做溝槽問(wèn)題，我們需要考慮理論可行性和實(shí)際市場(chǎng)需求問(wèn)題。

不管Si IGBT還是Si MOSFET，溝槽柵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)相比于平面柵結(jié)構(gòu)具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)于SiC MOSFET來(lái)說(shuō)，目前這種優(yōu)勢(shì)不再顯著。

從理論上來(lái)看，平面柵 SiC MOSFET的溝道遷移率低，相較之下，溝槽柵SiC MOSFET則呈現(xiàn)出更佳的電學(xué)特性，其優(yōu)勢(shì)包括：元胞密度高、導(dǎo)通損耗低、開(kāi)關(guān)性能強(qiáng)等。

根據(jù)高斯定理，SiC MOSFET中柵極SiO2表面承受的電場(chǎng)強(qiáng)度約是其對(duì)應(yīng)的SiC表面電場(chǎng)強(qiáng)度的2.5倍，由于碳化硅材料以高臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度著稱（約為硅材料的10倍），所以SiC MOSFET中柵極SiO2承受的電場(chǎng)強(qiáng)度極高，比Si MOSFET/IGBT中柵極SiO2承受的電場(chǎng)強(qiáng)度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，SiC MOSFET的大部分問(wèn)題都與柵氧化層直接相關(guān)。

例如，SiC MOSFET 柵極氧化層的可靠性問(wèn)題。溝槽柵SiC MOSFET更加嚴(yán)重，因?yàn)榻咏?0°的溝槽柵拐角進(jìn)一步加劇了電力線的集中，此處的柵氧層極易被擊穿。

解決柵極氧化層可靠性問(wèn)題是目前所有的溝槽柵SiC MOSFET結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須首先解決的問(wèn)題，已有技術(shù)路線是設(shè)計(jì)額外的JFET區(qū)，通過(guò)其耗盡區(qū)的“夾斷”來(lái)屏蔽保護(hù)中間的柵極氧化層，減少溝槽柵拐角位置氧化層承受的電應(yīng)力，但這同時(shí)也引入了很大的JFET電阻，導(dǎo)通電阻因此顯著增加。

總的來(lái)說(shuō)，平面型SiC MOSFET由于具備天然的可靠性優(yōu)勢(shì)，更容易被市場(chǎng)認(rèn)可。當(dāng)然，如果未來(lái)柵極介質(zhì)層的可靠性問(wèn)題得到徹底解決，更緊湊的溝槽型SiC MOSFET仍然具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

但是，客戶關(guān)心的并不是它究竟是平面MOSFET還是溝槽MOSFET，更重要的是特定導(dǎo)通電阻。事實(shí)上，我們也不在乎哪種技術(shù)路線，我們只關(guān)注哪種設(shè)計(jì)能給客戶帶來(lái)最大的利益?！昂?jiǎn)而言之，平面結(jié)構(gòu)還有深挖的空間，國(guó)內(nèi)企業(yè)深耕平面型，做好可靠性，也一樣有市場(chǎng)！