SiC MOSFET：是平面柵還是溝槽柵？

SiC這幾年的發(fā)展速度幾乎超出了所有人的意料。最近幾年，在各家SiC廠商的努力下，SiC MOSFET器件已經(jīng)有了大幅的改進(jìn)，制造方法和缺陷篩查也有了一定的進(jìn)步。SiC的商用化和上車之路已經(jīng)明顯加速。

在SiC MOSFET的技術(shù)路線之爭(zhēng)上，一直有平面柵和溝槽柵兩種不同的結(jié)構(gòu)類型。所謂的溝槽柵，可以通俗的理解為在平面的基礎(chǔ)上“挖坑”（如下圖的示意圖比較中可以清晰的看出）。國(guó)際SiC廠商們正在通過(guò)溝槽柵來(lái)更大的發(fā)揮SiC的潛力，放眼望去，有的廠商挖一個(gè)坑，有的挖兩個(gè)坑，還有的是斜著挖，各種技術(shù)結(jié)構(gòu)層出不窮，百花齊放，也頗有看點(diǎn)。

平面柵MOSFET、羅姆和英飛凌的SiC MOSFET溝槽設(shè)計(jì)示意圖

（圖源：TechInsights）

SiC MOSFET：是平面柵還是溝槽柵？

在談SiC MOSFET之前，讓我們先來(lái)回顧下硅基MOSFET的發(fā)展歷程。在70、80年代，用于大功率的硅MOSFET采用的大都是垂直導(dǎo)電路徑和平面柵型結(jié)構(gòu)，到90年代硅MOSFET轉(zhuǎn)而開(kāi)始使用“挖溝槽”來(lái)提高效率?，F(xiàn)在，在SiC MOSFET中使用溝槽結(jié)構(gòu)由于具有降低導(dǎo)通電阻的效果而備受矚目。那么，SiC MOSFET是該選擇平面柵還是溝槽柵呢？

平面柵結(jié)構(gòu)是行業(yè)內(nèi)應(yīng)用最早、最廣泛、最可靠的架構(gòu)。平面SiC MOSFET于2011年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，是由當(dāng)時(shí)Cree推出的CMF20120D，平面柵結(jié)構(gòu)由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制造、可靠性等優(yōu)點(diǎn)，因此至今仍然占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，在減小芯片尺寸并因此提高產(chǎn)能的驅(qū)動(dòng)下，其橫向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)限制了它最終可以縮小的程度。

溝槽柵結(jié)構(gòu)是一種改進(jìn)的技術(shù)，指在芯片表面形成的凹槽的側(cè)壁上形成MOSFET柵極的一種結(jié)構(gòu)。溝槽柵的特征電阻比平面柵要小，與平面柵相比，溝槽柵MOSFET消除了JFET區(qū)，因此不存在JFET電阻，少一個(gè)電阻。轉(zhuǎn)向溝槽柵的目的之一就是為了實(shí)現(xiàn)較低的特定導(dǎo)通電阻（Ronsp，電阻 x 面積），這可以允許芯片制造商縮小裸片的尺寸，使用更少的SiC原材料，從而提高產(chǎn)量。

理論上來(lái)說(shuō)，溝槽柵能大大提升器件參數(shù)、可靠性及壽命。但是其難點(diǎn)也很顯而易見(jiàn)。溝槽MOSFET很難以實(shí)現(xiàn)可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。溝槽柵的設(shè)計(jì)必須解決器件頂部SiC的高電場(chǎng)(大于Si的9倍)最大化的問(wèn)題，同時(shí)保護(hù)同樣位于器件頂部的精密柵極氧化物免受相同電場(chǎng)的影響。這種平衡行為需要巧妙而復(fù)雜的器件布局，否則漂移區(qū)將需要嚴(yán)重降額，從而侵蝕溝槽架構(gòu)的增益。因此，溝槽 MOSFET的一個(gè)缺點(diǎn)是它們的設(shè)計(jì)更復(fù)雜，通常需要更多的制造步驟，對(duì)工藝的復(fù)雜度要求較高。而且在可靠性方面也存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

為此，SiC芯片供應(yīng)商們尤其是國(guó)際的大廠都在發(fā)揮自家各自的本領(lǐng)，開(kāi)始了對(duì)SiC溝槽MOSFET的探索。

SiC巨頭們的選擇

在一眾SiC器件供應(yīng)商中，如今除了Wolfspeed之外，基本都開(kāi)始向溝槽柵布局了。羅姆和英飛凌是率先轉(zhuǎn)向溝槽MOSFET的公司，電裝的SiC溝槽MOSFET也已正式商用。雖然目前市場(chǎng)上只有這3家廠商的溝槽型器件可用，但是為了潛在的產(chǎn)量和成本優(yōu)勢(shì)，其他SiC廠商也早就在向溝槽結(jié)構(gòu)布局，例如住友電工、三菱電機(jī)、Qorvo（UnitedSiC）。ST通過(guò)基于溝槽技術(shù)生產(chǎn)具有新厚度和外延的SiC晶圓來(lái)重塑制造技術(shù)。安森美也將在下一代技術(shù)平臺(tái)M4從平面結(jié)構(gòu)升級(jí)為溝槽結(jié)構(gòu)。

不過(guò)雖說(shuō)各家都在“挖溝”，但是方式略微有所不同。接下來(lái)讓我們細(xì)細(xì)看來(lái)。

羅姆：雙溝槽結(jié)構(gòu)的SiC MOSFET

2010年，羅姆在世界上首次成功量產(chǎn)SiC MOSFET(平面結(jié)構(gòu))。2015年6月，羅姆開(kāi)發(fā)并量產(chǎn)了世界首個(gè)溝槽結(jié)構(gòu)的SiC MOSFET，而且是雙溝槽的結(jié)構(gòu)。截止目前，羅姆的SiC MOSFET已經(jīng)發(fā)展到了第四代。

羅姆SiC MOSFET的發(fā)展史

為何是雙溝槽結(jié)構(gòu)？據(jù)羅姆的說(shuō)法，在一般的單溝槽結(jié)構(gòu)中，電場(chǎng)集中在柵極溝槽的底部，因此長(zhǎng)期可靠性一直是個(gè)問(wèn)題。而羅姆開(kāi)發(fā)的雙溝槽結(jié)構(gòu)，在源區(qū)也設(shè)置了溝槽結(jié)構(gòu)，緩和了柵極溝槽底部的電場(chǎng)集中，確保了長(zhǎng)期可靠性，使量產(chǎn)成為可能。

羅姆的雙溝槽結(jié)構(gòu)（圖源：羅姆）

羅姆已經(jīng)證明，第四代SiC mosfet在低損耗、可用性和高可靠性方面優(yōu)于以前的產(chǎn)品，并且可以解決客戶的設(shè)計(jì)問(wèn)題，例如提高系統(tǒng)效率：

在第4代SiC MOSFET中，羅姆通過(guò)基于其原始雙溝槽設(shè)計(jì)的器件結(jié)構(gòu)改進(jìn)，與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比成功降低了40%的導(dǎo)通電阻，并提高了短路耐受性（圖a所示）。通過(guò)顯著降低柵極-漏極電容 (Cgd)，實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)產(chǎn)品低50%的開(kāi)關(guān)損耗（圖b所示）。而且與第3代和更早的 SiC MOSFET所需的18V 柵極-源極電壓 (Vgs) 相比，第4代產(chǎn)品支持更靈活的柵極電壓范圍 (15-18V)，從而能夠設(shè)計(jì)一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路，該電路也可以用于IGBT。

（a）第4代SiC MOSFET與第三代的導(dǎo)通電阻比較

（圖源：羅姆）

（b）第4代SiC MOSFET與第三代的開(kāi)關(guān)損耗比較

（圖源：羅姆）

當(dāng)?shù)?代SiC MOSFET用于牽引逆變器時(shí)，可以比IGBT解決方案減少6%的電力消耗（使用國(guó)際 WLTC 燃油經(jīng)濟(jì)性測(cè)試計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)）。

第四代SiC MOSFET與IGBT用于牽引逆變器的比較

（圖源：羅姆）

英飛凌半包溝槽結(jié)構(gòu)

英飛凌的溝槽設(shè)計(jì)方式是，每個(gè)溝槽的一側(cè)都有一個(gè)通道，另一側(cè)被深P+注入覆蓋，如下面所顯示，是英飛凌的SiC MOSFET的設(shè)計(jì)示意圖。具體來(lái)看，英飛凌的CoolSiC MOSFET包含一個(gè)獨(dú)特的非對(duì)稱溝槽結(jié)構(gòu)：在溝槽側(cè)壁的左側(cè)，它包含與平面對(duì)齊的MOS通道，以優(yōu)化通道的移動(dòng)性；在溝槽側(cè)壁右側(cè)，溝槽底部的很大一部分嵌入到p+阱中，p+阱延伸到溝槽底部以下，從而減小了離態(tài)臨界電場(chǎng)，起到了體二極管的作用。

英飛凌的SiC MOSFET的設(shè)計(jì)示意圖

（圖源：英飛凌）

英飛凌的CoolSiC MOSFET溝槽分立器件系列提供650 V、1200 V、1700 V和2000 V電壓等級(jí)，7 m?-1000 m?導(dǎo)通電阻范圍的產(chǎn)品。采用英飛凌獨(dú)特的溝槽的方式，CoolSiC MOSFET為系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了許多好處，包括高可靠性、效率提高、實(shí)現(xiàn)高開(kāi)關(guān)頻率和高功率密度，降低系統(tǒng)復(fù)雜性和總系統(tǒng)成本。

電裝：溝槽型SiC MOSFET將商用

2023年3月31日，電裝（DENSO）宣布已開(kāi)發(fā)出首款采用碳化硅 (SiC) 半導(dǎo)體的逆變器。該逆變器集成在由 BluE Nexus Corporation 開(kāi)發(fā)的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊 eAxle 中，將用于新款雷克薩斯RZ，這是該汽車制造的首款專用電池電動(dòng)汽車 (BEV) 車型。DENSO將其SiC技術(shù)稱為“REVOSIC”。

DENSO獨(dú)特的溝槽型MOS結(jié)構(gòu)采用DENSO專利電場(chǎng)緩和技術(shù)的溝槽柵極半導(dǎo)體器件，提高了每個(gè)芯片的輸出，因?yàn)樗鼈儨p少了由發(fā)熱引起的功率損耗，獨(dú)特的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高電壓和低導(dǎo)通電阻操作。

電裝的溝槽柵結(jié)構(gòu)（圖源：電裝）

住友電工的V 形槽溝槽

住友電工利用獨(dú)特的晶面新開(kāi)發(fā)了V形槽溝槽金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (VMOSFET)。VMOSFET具有高效率、高阻斷電壓、惡劣環(huán)境下的高穩(wěn)定性等優(yōu)越特性，實(shí)現(xiàn)了大電流（單芯片200A），適用于電動(dòng)汽車（EV）和混合動(dòng)力汽車（HEV）。此外，住友電工正在與國(guó)家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所合作開(kāi)發(fā)具有世界最低導(dǎo)通電阻的下一代 VMOSFET。

住友電工的SiC VMOSFET橫截面圖

（圖源：住友電工）

Qorvo：高密度溝槽SiC JFET結(jié)構(gòu)

Qorvo的SiC技術(shù)主要來(lái)源于UnitedSiC，該公司于 2021 年 11 月加入 Qorvo，如今SiC也是Qorvo未來(lái)發(fā)展的重中之重。不同于傳統(tǒng)的SiC MOSFET設(shè)計(jì)，Qorvo另辟新徑。Qorvo的SiC FET采用了高密度溝槽 SiC JFET 結(jié)構(gòu)，SiC MOSFET中的溝道電阻Rchannel被SiC FET中低壓硅MOSFET 的電阻所取代，后者的反轉(zhuǎn)層電子遷移率要好得多，實(shí)現(xiàn)了超低單位面積導(dǎo)通電阻，因此損耗也更低。該結(jié)構(gòu)與低電壓 Si MOSFET 共同封裝，SiC FET的晶粒面積也相對(duì)較小。

SiC MOSFET（左）和 Qorvo的SiC FET（右）架構(gòu)對(duì)比

（圖源：Qorvo）

基于這種設(shè)計(jì)，Qorvo的新產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了一流的導(dǎo)通電阻與面積乘積（ROnx A），從而具備了業(yè)界一流的品質(zhì)因數(shù)（FoM），包括非常低的 RDS(on)x 面積、非常低的 RDS(on) x Eoss、RDS(on) x Coss,(tr) 和 RDS(on) x Qg。下面雷達(dá)圖中的較低值反映了各個(gè)參數(shù)的出色表現(xiàn)。

Qorvo的1200V第四代SiC FET產(chǎn)品規(guī)格從23mΩ-70mΩ，瞄準(zhǔn)的也是800V電動(dòng)汽車車載充電器（OBC）和直流轉(zhuǎn)換器。

Qorvo新1200V第四代SiC FET的品質(zhì)因數(shù)與競(jìng)爭(zhēng)性1200V FET的比較

（圖源：QorvoPower公號(hào)）

富士電機(jī)：用于全SiC模塊

2016年，富士電機(jī)開(kāi)發(fā)了用于全SiC模塊的1.2 kV SiC溝槽 MOSFET，實(shí)現(xiàn)了3.5 mΩcm 2 的低比電阻，閾值電壓為 5 V，同時(shí)保持用于打開(kāi)和關(guān)閉電流的“通道”的高可靠性。由此，與以前的平面結(jié)構(gòu)相比，成功地將電阻率降低了50%以上。此外，富士電機(jī)還開(kāi)發(fā)了一種采用獨(dú)特引腳連接結(jié)構(gòu)的高電流密度專用 SiC 模塊，充分發(fā)揮了SiC器件的優(yōu)點(diǎn)。富士電機(jī)已經(jīng)使用該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了All-SiC模塊。

圖源：富士電機(jī)

三菱電機(jī)：獨(dú)特電場(chǎng)限制結(jié)構(gòu)

2019年，三菱電機(jī)也開(kāi)發(fā)出了一種溝槽的SiC MOSFET，為了解決溝槽型的柵極絕緣膜在高電壓下的斷裂問(wèn)題，三菱電機(jī)基于在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行的先進(jìn)模擬，開(kāi)發(fā)了一種獨(dú)特的電場(chǎng)限制結(jié)構(gòu)，將應(yīng)用于柵絕緣薄膜的電場(chǎng)減小到常規(guī)平面型水平，使柵絕緣薄膜在高電壓下獲得更高的可靠性。

三菱電機(jī)的新型溝槽型SiC-MOSFET三維結(jié)構(gòu)示意圖

（圖源：三菱電機(jī)）

此外，三菱電機(jī)開(kāi)發(fā)了一種新的制造方法來(lái)大規(guī)模生產(chǎn)其新型SiC-MOSFET。具體來(lái)看，三菱電機(jī)利用獨(dú)特的電場(chǎng)限制結(jié)構(gòu)確保器件可靠性。通過(guò)注入鋁和氮來(lái)改變半導(dǎo)體層的電氣特性，從而保護(hù)柵極絕緣膜。如下圖所示，首先，垂直注入鋁，并在底部表面形成電場(chǎng)限制層(圖2-①)。應(yīng)用于柵極絕緣薄膜的電場(chǎng)降低到傳統(tǒng)平面功率半導(dǎo)體器件的水平，從而提高了可靠性，同時(shí)保持超過(guò)1500v的擊穿電壓。接著，利用新開(kāi)發(fā)的技術(shù)，以傾斜方向注入鋁(圖2-②)，形成連接電場(chǎng)限制層和源電極的側(cè)接地，以實(shí)現(xiàn)高速開(kāi)關(guān)并降低開(kāi)關(guān)損耗。

三菱電機(jī)的溝槽型SiC-MOSFET的制造方法

（圖源：三菱電機(jī)）

再者，通過(guò)局部形成的高雜質(zhì)摻雜層實(shí)現(xiàn)了較低水平的導(dǎo)通電阻。三菱電機(jī)開(kāi)發(fā)了一種新的斜向注入氮的方法（圖2-③），在局部形成一層高濃度氮的碳化硅，使電流通路中的電流更容易傳導(dǎo)。結(jié)果，即使單元密集排列，與沒(méi)有高濃度層的情況相比，電阻率也可以降低約25%。新的制造方法還允許優(yōu)化側(cè)面接地的間隔，最終實(shí)現(xiàn)了特定導(dǎo)通電阻1.84 mΩcm2，擊穿電壓超過(guò)1500 V。

國(guó)內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)何時(shí)跨入溝槽式？

從各廠商的動(dòng)作來(lái)看，SiC MOSFET的器件結(jié)構(gòu)似乎在重走IGBT的路，向溝槽型邁進(jìn)是SiC MOSFET的必由之路。而國(guó)內(nèi)的SiC MOSFET廠商大多是以平面柵為主。就目下而言，平面型SiC MOSFET仍然是主流，對(duì)國(guó)產(chǎn)廠商而言也是主要的發(fā)展路線。

如Wolfspeed聯(lián)合創(chuàng)始人John Palmour在德國(guó)媒體Elektroniknet發(fā)布的一篇采訪文章中表示，他認(rèn)為平面柵SiC MOSFET的技術(shù)優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)未耗盡。

SiC MOSFET供應(yīng)商派恩杰是國(guó)內(nèi)SiC領(lǐng)域上車的先行者之一，此前派恩杰的杰創(chuàng)始人黃興博士也曾談到，SiC材料與硅基不同，由于碳化硅有優(yōu)異的性能可使激光刻蝕無(wú)限量縮小pitch，從而達(dá)到更好的HDFM效率。因而不需要如硅基芯片一樣挖溝槽來(lái)縮Pitch。未來(lái)幾年，平面型MOSFET技術(shù)依然是車用碳化硅MOSFET的主流。基于平面柵結(jié)構(gòu)，派恩杰已經(jīng)發(fā)布了650V-1700V各個(gè)電壓平臺(tái)的SiC MOSFET，而且已經(jīng)順利在新能源龍頭企業(yè)批量供貨，實(shí)現(xiàn)“上車”。

至于未來(lái)國(guó)產(chǎn)SiC廠商何時(shí)要“挖溝”目前還不好說(shuō)。但即使要邁向溝槽柵結(jié)構(gòu)，對(duì)國(guó)內(nèi)廠商而言也不是易事，如上文所述，溝槽柵的設(shè)計(jì)難度極高，而且對(duì)制造工藝也有很高的要求。國(guó)際大廠往往采用IDM模式，可將制造與自身設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷地試驗(yàn)，國(guó)產(chǎn)廠商一般采用的是FablessMOS，要跨入溝槽式想必還有一段時(shí)日。

除此之外，溝槽結(jié)構(gòu)的高專利壁壘也是國(guó)產(chǎn)廠商要邁過(guò)去的坎兒。國(guó)際SiC巨頭在SiC MOSFET領(lǐng)域布局多年，也積累了不少專利。因此，持有關(guān)鍵專利的老牌SiC廠商有望在市場(chǎng)上獲得長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。下圖是Yole統(tǒng)計(jì)的SiC專利持有者的情況。雖然許多公司都在專注于建立垂直整合的供應(yīng)鏈以確保其SiC業(yè)務(wù)的長(zhǎng)期發(fā)展，但很少有公司在整個(gè)SiC價(jià)值鏈上開(kāi)發(fā)出強(qiáng)大的專利組合，國(guó)產(chǎn)SiC廠商仍有很大的發(fā)展空間。

各企業(yè)的SiC專利組合概覽

（來(lái)源：Yole）

寫(xiě)在最后

所有的新技術(shù)在發(fā)展初期都會(huì)存在各種困難，有些困難可以預(yù)測(cè)，有些不可以。比如，雖然各家都在努力向溝槽型結(jié)構(gòu)邁進(jìn)，但是關(guān)于產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題也時(shí)不時(shí)的傳出，溝槽結(jié)構(gòu)的棘手程度可見(jiàn)一斑，這些困難也延遲了器件的商業(yè)化進(jìn)程。但無(wú)論是采用平面MOSFET還是溝槽MOSFET，技術(shù)路線不重要，重要的是，誰(shuí)的SiC MOSFET最終能給客戶帶來(lái)的綜合利益最大，方才是贏家。

審核編輯 ：李倩