首次量產(chǎn)至今8年時間，溝槽柵SiC MOSFET的發(fā)展現(xiàn)狀如何？

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/梁浩斌）SiC MOSFET的發(fā)展歷史其實相當(dāng)長遠，全球SiC產(chǎn)業(yè)龍頭Wolfspeed的前身Cree公司，其創(chuàng)始人之一John Palmour在1987年申請了一項涉及在SiC襯底上生成MOS電容器的結(jié)構(gòu)，這項專利后來被視為促成SiC MOSFET誕生的關(guān)鍵。

不過，由于襯底良率、制造工藝等問題，直到2011年SiC MOSFET才正式實現(xiàn)商業(yè)化，彼時的Cree推出了市場上第一款SiC MOSFET，采用平面柵結(jié)構(gòu)的CMF20120D。到了2015年，羅姆率先實現(xiàn)溝槽柵結(jié)構(gòu)SiC MOSFET的量產(chǎn)，這種結(jié)構(gòu)更能夠發(fā)揮SiC材料的特性，工藝更復(fù)雜。經(jīng)過10多年的發(fā)展，目前在SiC MOSFET的技術(shù)路線上，溝槽柵已經(jīng)被認為是更有優(yōu)勢的方向。

平面柵和溝槽柵有哪些區(qū)別？

從結(jié)構(gòu)上看，最明顯的特征是，平面結(jié)構(gòu)的SiC MOSFET是指柵極電極和源極電極在同一水平面上，也就是呈現(xiàn)“平面”分布，溝道與襯底平行。平面柵工藝相對簡單，容易實現(xiàn)較好的柵氧化層質(zhì)量，有較強的抗電壓沖擊能力，實際應(yīng)用中可靠性更高，在過載工況下也不容易被損壞。

不過相對地，對于MOSFET而言，器件導(dǎo)通能力取決于元胞間距，元胞間距越小、密度越高，導(dǎo)通電阻以及開關(guān)損耗就越低，同時還能提高器件的耐壓能力，降低器件尺寸，提升功率密度。但平面柵由于柵極是橫向，所以一定程度上限制了元胞間距的縮小，為了進一步縮小元胞間距，溝槽柵結(jié)構(gòu)取代平面柵就成了目前的功率芯片廠商的產(chǎn)品趨勢。

溝槽柵結(jié)構(gòu)是指柵極電極位于源極電極下方，在半導(dǎo)體材料中形成一個“溝槽”。同時也能從上圖中看到，溝槽柵結(jié)構(gòu)中的溝道和柵極是垂直于襯底的，這也是與平面柵結(jié)構(gòu)的一個顯著區(qū)別，正因為這樣的結(jié)構(gòu)，可以讓功率芯片的元胞間距大幅縮小，在性能上展現(xiàn)出比平面柵SiC MOSFET更低的導(dǎo)通電阻、更強的開關(guān)性能、更低的導(dǎo)通損耗等。

但溝槽柵也不是完全沒有缺點。結(jié)構(gòu)上溝槽柵SiC MOSFET需要在基板上挖出溝槽，將柵極埋入形成垂直溝道，工藝顯然相比平面柵更復(fù)雜，良率、單元一致性都較差。同時，溝槽柵SiC MOSFET中的二氧化硅柵極所承受的電場強度比在硅基IGBT/MOSFET中高很多，因此柵極氧化層的可靠性會存在一些問題。當(dāng)然，這些問題可以通過改進柵極氧化工藝等方式解決，或是通過不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計改善柵極底部電場集中的問題。

溝槽柵SiC MOSFET發(fā)展現(xiàn)狀

羅姆作為最早量產(chǎn)SiC MOSFET的廠商，在2010年率先量產(chǎn)平面柵SiC MOSFET之后，在2015年的第三代產(chǎn)品上又再一次奪得先機，率先量產(chǎn)雙溝槽結(jié)構(gòu)的第三代產(chǎn)品。正如上文的溝槽柵結(jié)構(gòu)示意圖中一樣，SiC MOSFET一般是單溝槽結(jié)構(gòu)，即只有柵極溝槽；羅姆開發(fā)出的雙溝槽MOSFET即同時具有源極溝槽和柵極溝槽。

前文我們也提到，為了充分利用SiC材料的高擊穿能力，需要改善柵極氧化物處電場集中的問題。羅姆在官方介紹中表示，SiC MOSFET通過采用雙溝槽的結(jié)構(gòu)，在測試中可以實現(xiàn)比羅姆第二代平面柵SiC MOSFET降低約50%的導(dǎo)通電阻，同時輸入電容降低35%，提升了開關(guān)性能。

羅姆2021年推出最新的第四代SiC MOSFET，進一步改進了雙溝槽結(jié)構(gòu)，成功在改善短路耐受時間的前提下，使導(dǎo)通電阻比第三代產(chǎn)品又降低約40%；同時通過大幅降低柵漏電容，成功地使開關(guān)損耗比以第三代產(chǎn)品降低約50%。按照其產(chǎn)品路線圖，預(yù)計2025年和2028年推出的第五代和第六代產(chǎn)品的導(dǎo)通電阻將會分別再降低30%。

英飛凌的SiC MOSFET采用了不對稱的半包溝槽結(jié)構(gòu)，與羅姆幾乎是目前業(yè)界唯二量產(chǎn)上車的SiC MOSFET溝槽設(shè)計。這種不對稱的半包溝槽結(jié)構(gòu)能夠在獨特的晶面上形成溝道，并可以使用較厚的柵極氧化層，實現(xiàn)很低的導(dǎo)通電阻，并提高了可靠性。英飛凌在2016年推出了第一代CoolSiC系列SiC MOSFET，并在2022年更新了第二代產(chǎn)品，相比第一代增強了25%-30%的載電流能力。

目前量產(chǎn)溝槽型SiC MOSFET的國際廠商還包括富士、三菱電機、住友電工、日本電裝等，還有更多比如ST、博世、安森美等廠商，都有相關(guān)布局，ST計劃在2025年推出其首款溝槽型SiC MOSFET產(chǎn)品。從國際廠商的布局來看，溝槽柵SiC MOSFET會是未來更具競爭力的方案。

國內(nèi)方面，安海半導(dǎo)體、芯塔電子、芯長征科技、中車時代等都已經(jīng)有相關(guān)的專利技術(shù)等布局，目前溝槽柵SiC MOSFET的專利競爭較大，特別是日系廠商比如電裝、羅姆、富士電機等較為強勢。國內(nèi)廠商入局相對較晚，但相對布局較前的廠商可能會擁有更大的發(fā)揮空間。


小結(jié)：

總而言之，提高SiC MOSFET性能的幾個重要指標(biāo)，包括更小的元胞間距、更低的導(dǎo)通電阻、更低的開關(guān)損耗、更高的可靠性（柵極氧化保護），幾乎都指向了溝槽柵結(jié)構(gòu)。從2015年第一款量產(chǎn)溝槽柵SiC MOSFET產(chǎn)品推出到現(xiàn)在過去了8年時間，但市面上能夠推出量產(chǎn)產(chǎn)品的廠商并不算多，在目前整體SiC市場持續(xù)高速增長的時期，提前布局合適的技術(shù)路線，才有機會在未來新的應(yīng)用市場上占得先機。