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在Si IGBT和Si MOSFET時(shí)代，溝槽柵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比平面柵結(jié)構(gòu)具有明顯的性能優(yōu)勢。而到了SiC時(shí)代，這個(gè)祖?zhèn)鳌巴诳印钡氖炙噮s開始有了風(fēng)險(xiǎn)。想要做出溝槽型SiC MOSFET，就要先克服各種難題。

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因此，現(xiàn)在SiC MOSFET在業(yè)界分化成兩派：一派更為激進(jìn)地推進(jìn)溝槽型SiC MOSFET，主要玩家包括羅姆和英飛凌，一派更為保守地追求平面型SiC MOSFET，玩家主要包括意法半導(dǎo)體、安森美和Wolfspeed。
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去年，保守派的安森美宣布他們于2024年發(fā)布的M4T MOSFET將是他們的第一代溝槽 MOSFET，眼看產(chǎn)品即將面世。相比之下，意法半導(dǎo)體致力于至少在接下來的兩代產(chǎn)品中采用平面設(shè)計(jì)器件，并布局溝槽器件，或許2025年正式開啟溝槽元年。
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可以說，是平面型，還是溝槽型，業(yè)界的激烈爭論永不休止。雖然如此，但廠商卻在SiC MOSFET的規(guī)劃中，又“老老實(shí)實(shí)”把溝槽器件當(dāng)作最終目標(biāo)。在這背后，國產(chǎn)是否也有機(jī)會？
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付斌｜作者
電子工程世界（ID：EEWorldbbs）｜出品
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?挖坑提升性能

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SiC功率器件研究要追溯到上世紀(jì)80年底啊，自從2001年Infineon推出第一款商業(yè)SiC二極管以來，SiC器件的研究已經(jīng)得到了極大的發(fā)展。
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目前，SiC二極管（PiN、SBD、JBS）和SiC MOSFET應(yīng)用最廣泛，產(chǎn)業(yè)化成熟度最高，SiC IGBT和GTO等器件由于技術(shù)難度更大，仍處于研發(fā)階段，距離產(chǎn)業(yè)化有較大的差距。
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隨著SiC功率器件逐漸演進(jìn)，平面型的SiC MOSFET已經(jīng)達(dá)到縮小MOS元胞尺寸而無法降低導(dǎo)通電阻的程度，即便采用更小的光刻尺寸，單位面積的導(dǎo)通電阻也很難降到2mΩ · cm2以下。
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換句話說就是平面型SiC MOSFET有瓶頸，因此，溝槽型開始成為二極管和MOSFET的重點(diǎn)。
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與Si類似，溝槽型SiC可以構(gòu)建更深的P型掩蔽，大大減小了反向阻斷時(shí)結(jié)位置的電場強(qiáng)度，從而降低二極管的漏電流，提高了器件的熱穩(wěn)定性；此外，它將導(dǎo)電溝道從水平的晶面轉(zhuǎn)移到了表面電子遷移率更高的豎直晶面，消除JFET區(qū)域，使器件導(dǎo)通電阻更低，減小了導(dǎo)通損耗，因此溝槽型SiC MOSFET具有更高的單元密度，極低的寄生電感和更快的開關(guān)速度。
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簡單來說，溝槽型的SiC MOSFET的設(shè)計(jì)更緊湊，使得關(guān)鍵的金屬氧化物半導(dǎo)體 (MOS) 接口能夠垂直定向而不是橫向定向，從而實(shí)現(xiàn)更低電阻的設(shè)計(jì)。
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不過，既然這么強(qiáng)，為啥還會有廠商激進(jìn)，有廠商保守？這是因?yàn)樵赟iC MOSFET面前，還存在工藝和應(yīng)用兩大的障礙。
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一是槽角處容易高漏極電壓下造成柵氧化層迅速擊穿，同時(shí)對惡劣環(huán)境靜電效應(yīng)及電路高壓尖峰耐受能力差；二是SiC MOSFET應(yīng)用本就多在高壓高頻大電流領(lǐng)域，電路中寄生參數(shù)產(chǎn)生尖峰毛刺，造成瞬時(shí)過壓或開關(guān)損耗，此外溝槽SiC MOSFET不具備抗浪涌電壓自抑制能力和過壓保護(hù)能力，需要在實(shí)際應(yīng)用中設(shè)計(jì)復(fù)雜緩沖電路、浪涌電壓抑制電路和過壓保護(hù)電路，更多的外部電路導(dǎo)致過壓保護(hù)延遲加大，同時(shí)實(shí)際開關(guān)過程依然容易被擊穿，引起器件可靠性問題；三是離子注入深度有限，導(dǎo)致很多針對性的溝槽柵極保護(hù)結(jié)構(gòu)和抗浪涌設(shè)計(jì)從工藝上難以實(shí)現(xiàn)。
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簡單解釋起來，就是SiC本身的問題和復(fù)雜的外部電路導(dǎo)致可靠性容易出問題，同時(shí)也不太好制造。
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總之，想要激進(jìn)推進(jìn)，就要更多的投入，功率半導(dǎo)體領(lǐng)域一直是一個(gè)很卷的領(lǐng)域，投入能不能換來回報(bào)，這便要看廠商自己的抉擇。
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?巨頭在怎么挖？

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縱觀歷史上對于溝槽型SiC MOSFET的研究，主要圍繞降低了溝槽底部氧化層電場強(qiáng)度進(jìn)行研究：
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  • 2012年，日本Rohm公司提出使用雙溝槽結(jié)構(gòu)，采用P型基區(qū)采用深槽刻蝕和離子注入的方法形成深P+區(qū)，用以保護(hù)柵極氧化層的電場。該器件耐壓達(dá)1.26kV，比導(dǎo)通電阻達(dá)到1.41mΩ·cm2；
  • 2012年，日本高技術(shù)研究院（AIST）的Okumura在Rohm公司提出的雙溝槽的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，柵極溝槽底部注入P+區(qū)域。注入的P區(qū)降低了氧化層的電場，其擊穿電壓達(dá)到3.3kV，比導(dǎo)通電阻達(dá)到7mΩ·cm2；
  • 2016年，日本AIST研究所開發(fā)高能注入工藝，在器件源區(qū)進(jìn)行高能離子注入，加強(qiáng)P阱區(qū)域?qū)τ跍喜鄣撞勘Ｗo(hù)，制備得到的器件擊穿電壓達(dá)到3.8kV，比導(dǎo)通電阻僅為9.4mΩ·cm2；
  • 2017年，Infineon發(fā)布SiC MOSFET產(chǎn)品CoolSiC，該結(jié)構(gòu)以犧牲一半溝道寬度的條件下，通過深注入P+區(qū)域更好的保護(hù)柵氧，使其不受到高電 場的影響提高了器件的可靠性；
  • 2018年，瀚薪公司將肖特基二極管集成到MOSFET結(jié)構(gòu)中代替原有PiN體二極管，提高了器件體二極管導(dǎo)通能力，避免了少子復(fù)合而造成 的產(chǎn)生基平面缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。
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隨著技術(shù)的成熟，國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)界已逐步形成5中流派的溝槽型SiC MOSFET器件：
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  • 羅姆：采用雙溝槽結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)同時(shí)具有源極溝槽和柵極溝槽。第一二代SiC MOSFET都采用了平面柵極設(shè)計(jì)，2015年率先推出量產(chǎn)雙溝槽結(jié)構(gòu)的第3代產(chǎn)品，2021年推出最新的第四代SiC MOSFET，進(jìn)一步改進(jìn)了雙溝槽結(jié)構(gòu)，預(yù)計(jì)2025年和2028年推出的第五代和第六代產(chǎn)品的導(dǎo)通電阻會再降低30%；
  • 英飛凌：采用不對稱的半包溝槽結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中MOS溝道選擇了最有利的方向。英飛凌與羅姆幾乎是目前業(yè)界唯二量產(chǎn)上車的溝槽型SiC MOSFET，2016年推出第一代CoolSiC系列SiC MOSFET，2022年更新第二代產(chǎn)品，比第一代增強(qiáng)了25%～30%的載電流能力；
  • 富士：采用P阱覆蓋溝槽底部溝槽底部的柵極氧化物的結(jié)構(gòu)，時(shí)減小了cell pitch并優(yōu)化了MOS溝道長度及JFET區(qū)域；
  • 三菱：采用獨(dú)特電場限制結(jié)構(gòu)，在垂直溝槽方向注入鋁元素，使溝槽底部形成電場限制層，再通過其新技術(shù)斜向注入鋁，形成連接電場場限制層和源極的側(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，此前三菱報(bào)道了6.5kV/45A的SiC MOSFET器件；
  • 瀚薪：提出一種結(jié)勢壘肖特基二極管集成碳化硅MOSFET，將DMOS和結(jié)勢壘肖特基二極管（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。
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除此之外，瑞薩、Qorvo（UnitedSiC）、DENSO、Wolfspeed（Cree）等廠商也在積極布局開發(fā)并申請相關(guān)專利。
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不過，規(guī)模量產(chǎn)溝槽型SiC MOSFET的廠商，只有兩家：日本Rohm采用在柵極溝槽兩側(cè)構(gòu)造源極雙溝槽結(jié)構(gòu)屏蔽中間的柵極溝槽底部，德國Infineon采用“P+ 半包裹的非對稱溝槽結(jié)構(gòu)”。
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?國內(nèi)發(fā)展如何

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目前，國內(nèi)對于SiC平面器件技術(shù)研究投入了很大精力，在溝槽型SiC MOSFET方面則主要在起步階段。
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國內(nèi)2014年才正式開始第一代和第二代平面MOSFET的研發(fā)，目前剛實(shí)現(xiàn)小批量應(yīng)用。在第三代溝槽型SiC MOSFET方面面臨日美和歐洲的專利封鎖，并且在第四代與第五代溝槽MOSFET 器件IP、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與全套工藝環(huán)節(jié)存在很大的差距。具體來看：
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  • 三安的溝槽型SiC MOSFET產(chǎn)品時(shí)間節(jié)點(diǎn)是2025年Q1；
  • 中車的第四代溝槽型SiC MOSFET產(chǎn)品時(shí)間節(jié)點(diǎn)是2025年，同時(shí)布局最新的第五代"多級溝槽P+"電場掩蔽技術(shù)，預(yù)計(jì)第五代溝槽型SiC MOSFET產(chǎn)品時(shí)間節(jié)點(diǎn)是2027年；
  • 安海半導(dǎo)體據(jù)悉在2022年成為國內(nèi)第一家量產(chǎn)Trench MOS的企業(yè)，目前申請的Trench SiC MOSFET 結(jié)構(gòu)專利已獲批，美國專利正在申請中；
  • 據(jù)公眾號“?碳化硅芯片學(xué)習(xí)筆記?”稱，各大國產(chǎn)廠商都在積極布局溝槽型SiC MOSFET。
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溝槽型到底賺不賺錢？Yole發(fā)布的信息顯示，平面MOSFET公司在利潤豐厚的動力傳動系統(tǒng)逆變器業(yè)務(wù)中取得了更大的成功，而羅姆和英飛凌則在低功率車載充電器市場上獲得了業(yè)務(wù)。不過，這存在一定的爭議，因?yàn)楸旧砀吖β蕚鲃酉到y(tǒng)的逆變器還是以Si器件為主導(dǎo)，轉(zhuǎn)移到SiC本身就是一種大膽的舉措，更別說采用哪種器件了。
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當(dāng)然，現(xiàn)在SiC那么卷，產(chǎn)能布局那么多，屬于是“僧多肉少”，溝槽型SiC MOSFET無疑更具效率和成本，這也是英飛凌和羅姆的成功所在，因而占據(jù)了碳化硅MOSFET市場32%的份額。
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國內(nèi)溝槽型SiC MOSFET的挑戰(zhàn)還是很多的。一方面，現(xiàn)在日美企業(yè)已經(jīng)申請了足夠多的專利，同時(shí)還在不斷加強(qiáng)專利布局，可以說，國內(nèi)廠商要面臨很高的專利墻。另一方面，英飛凌和羅姆的成功也離不開在器件iP、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與核心工藝環(huán)節(jié)的布局，而國內(nèi)則缺乏相關(guān)的能力，因此溝槽MOSFET成套工藝及結(jié)構(gòu)IP，可能是未來十年碳化硅Fab競爭的入場券。
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總之，無論是國內(nèi)還是國外，2025年都是一個(gè)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)，那時(shí)候開始，第四代、第五代溝槽型SiC MOSFET的競爭，可能會正式打響。
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參考文獻(xiàn)

[1] 瑞能半導(dǎo)體：高性能高可靠性 SiC MOSFET的關(guān)鍵設(shè)計(jì)與優(yōu)化.https://www.ween-semi.com/sites/default/files/2022-03/%E9%AB%98%E6%80%A7%E8%83%BD%E9%AB%98%E5%8F%AF%E9%9D%A0%E6%80%A7%20SiC%20MOSFET%E7%9A%84%E5%85%B3%E9%94%AE%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E4%B8%8E%E4%BC%98%E5%8C%96.pdf
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