一定要做沟槽型SiC MOSFET吗？（上）

日前，在南沙举行的行业会议上，基本半导体董事长汪之涵发表了题为《未来已来：功率半导体的碳化硅时代》的主题演讲。

其中提到，SIC MOSFET的发展趋势有四个方向：更小的元胞尺寸，更低的比导通阻，更低的开关损耗，更好的栅氧保护，提高器件的性能和可靠性。并重点强调说：长期来看，沟槽型应该会成为碳化硅MOSFET的主流技术路线。

平面型 OR 沟槽型？

SiC MOSFET 是最为成熟、应用最广的SiC功率开关器件，具有高开关速度、低损耗和耐高温等优点，被认为是替代硅IGBT的最佳选择。

SiC材料可以通过热氧化工艺在表面生长氧化层，因此SiC MOSFET可基本沿用硅基功率MOSFET的制备工艺。

然而由于SiC/SiO2界面处存在大量的陷阱电荷和界面电荷，使得SiC MOSFET的沟道迁移率较低，进而使器件的导通电阻增加。

同时，SiC的临界击穿电场强度更高且介电常数是SiO2的2.5倍，容易出现由于SiO2内电场强度过高而引发器件失效等可靠性问题。

因此，必须优化设计SiC MOSFET的元胞结构和终端结构，同时深入研究栅氧介质的形成工艺。

SiC功率MOSFET通常采用平面结构或者沟槽结构，在650~3300 V电压范围内已形成成熟的产品技术。

SiC MOSFET平面结构：特点是工艺简单，单元的一致性较好，雪崩能量比较高。但是，这种结构的中间，N区夹在两个P区域之间，当电流被限制在靠近P体区域的狭窄的N区中流过时，将产生JFET效应，从而增加通态电阻；同时，这种结构的寄生电容也较大。

SiC MOSFET沟槽结构：是将栅极埋入基体中形成垂直沟道，尽管其工艺复杂，单元一致性比平面结构差。但是，沟槽结构可以增加单元密度，没有JFET效应，寄生电容更小，开关速度快，开关损耗非常低；而且，通过选取合适沟道晶面以及优化设计的结构，可以实现最佳的沟道迁移率，明显降低导通电阻，因此，新一代SiC MOSFET主要研究和采用这种结构。

SiC功率MOSFET器件结构

目前，SiC MOSFET沟道迁移率低的问题仍然比较突出，对于中低压器件（650~1700 V）沟道电阻占总导通电阻的比例较高。

市场上这两种结构应用比较典型的是罗姆和英飞凌科采用沟槽结构SiC MOSFET，沟槽型没有结型场效应晶体管（JFET）区，具有更高的沟道密度，同时沟道所在SiC晶面具有较高的沟道迁移率，因此能够实现更低的比导通电阻。

而Cree和意法半导体两家公司采用平面结构SiC MOSFET，通过优化器件的结构设计，实现了性能和可靠性俱佳的产品技术，得到了广泛的应用。

五巨头的选择

意法半导体

深挖平面潜力，布局沟槽

根据意法半导体在近期财报中透露的最新数据，截止2022财年第1季度，公司碳化硅产品已经在75个客户的98个项目中送样测试，其中工业应用和电动汽车应用各占一半。是碳化硅器件当之无愧的龙头。

亮眼的背后也可以看到意法在碳化硅研发上继续投入相当资源。在生产技术上，意法于2021年年中宣布其挪威分部STMicroelectronics Silicon Carbide A.B. （前身为2019年收购的Norstel A.B.）开始进行8寸碳化硅材料的实验室制造，预计相应技术将在2025年前后成熟，并应用到规划中的新加坡8寸碳化硅生产线中。

在芯片设计上意法继续深挖平面设计碳化硅MOSFET的技术潜力，推出了第4代平面栅碳化硅，并在今年第二季度量产。而之前规划的沟槽栅设计产品则顺延成为意法的第5代碳化硅MOSFET，目前应该在工程样品测试阶段，量产时间待定。

相比上一代产品，第4代平面栅碳化硅的性能有所进步，包括导通电阻减少15%，工作频率增加一倍至1MHz。

英飞凌

半包沟槽结构保10年竞争优势

此前，英飞凌对外宣布目前已有的碳化硅订单使得2022财年来自碳化硅产品的收入超过去年近一倍，冲击3亿欧元。预测到2025年前后碳化硅功率器件产品线可以为公司带来10亿美元左右的营收。目前已经开始英飞凌贡献碳化硅产品营收的客户包括现代集团，其Ioniq 5电动紧凑型休旅车采用纬湃科技Vitesco提供的800V逆变器，内部使用的碳化硅模块即来自英飞凌。与此同时，英飞凌还是小鹏汽车的碳化硅模块的主要提供商，用于旗舰SUV车型G9中，预计今年第3季度起正式交付。

英飞凌的半包沟槽结构是业界不多的几个能够量产上车的碳化硅沟槽结构设计（其他还包括罗姆的双沟槽和住友的接地双掩埋结构等）——按照公众号“碳化硅芯片学习笔记”作者的说法，“沟槽MOS成套工艺及结构IP，是未来十年碳化硅竞争的入场券！”

英飞凌CoolSiC™ MOSFET采用了不对称的沟槽结构，该结构中MOS沟道选择了最有利的方向。从图中看到，参杂毗邻沟槽中的区域是不对称的，沟槽的左侧壁包含了MOS沟道，它被对准到a-plane面，以实现最佳的沟道迁移率。沟槽底部的大部分被嵌入到沟槽底部下方的p型区域中。

这个p型区域有三个主要的电气功能：

• 尽可能减小P-body区和源极的连接电阻
• 形成一个高效的P型发射器，使体二极管作为快速续流二极管工作
• 保护沟槽角落的栅极氧化层免受漏极偏压引起的过高电场的影响

这种MOSFET结构具有对于栅源电容CGS来说小比例的米勒电容CGD。CGS相对较大，因为沟槽的很大一部分贡献了它，即沟槽两侧的n+型区域和所有与源相连的p型区域。这使得开关控制良好，动态损耗非常低。特别是，该特性对于抑制使用半桥的拓扑中寄生导通引起的不希望的额外损耗至关重要。

从图中的Cell结构可以看出也支持足够的短路能力。由相邻的p型发射极区域形成的JFET区域不仅有利于限制沟道拐角处的氧化场，而且通过调整p型区域之间的距离来降低器件的饱和电流。较小的距离使沟槽角栅氧化层中较低的饱和电流和较低的场，但由于JFET会导致总体导通电阻的额外增加。

Wolfspeed

平面栅SiC MOSFET的技术优势远未耗尽

6月27日，德国媒体Elektroniknet发布了一篇采访Wolfspeed联合创始人John Palmour博士的文章。

报道称，John Palmour从一开始就致力于碳化硅二极管和MOSFET的开发，作为Wolfspeed的CTO，他认为平面栅SiC MOSFET的技术优势远未耗尽。

据01芯闻公众号作者表示，Wolfspeed累积的Design-in金额在87亿美元这个惊人的水平，其中包括大众集团“未来汽车供应路线（FAST）”计划和通用汽车奥腾能平台项目。另外，市场也传言戴姆勒集团和奥迪的下一代E-tron车型也选择了Wolfspeed的产品。

Wolfspeed的碳化硅MOSFET采用平面设计，目前处于第3代（Gen 3），涵盖650V到1200V之间的多个电压规格。与之前两代产品相比，Gen 3 平面MOSFET采用六边形晶胞微观设计，650V Gen 3和1200V Gen 3+的单位面积导通电阻分别为2.3 mΩ·cm2和2.7 mΩ·cm2，较上一代Strip Cell减少了16%。

Wolfspeed Gen 3碳化硅MOSFET采用Hex Cell的平面技术

（来源：Wolfspeed）

一份较早的资料中Wolfspeed提到其Gen 3碳化硅MOSFET已经到达了平面设计的实际性能极限，下一代产品将是沟槽栅设计。目前Wolfspeed的Gen 4 沟槽栅仍在开发中，具体量产时间还没有透露。

罗姆

第四代双沟槽将成为主力

罗姆在碳化硅上的布局不可谓不大，据公开消息，罗姆目前已经规划在2021年至2025年的5年间，投入1200亿至1700亿日元（10亿-13亿美元）的资金，将碳化硅产能扩充至少6倍。

管理层预测2025财年碳化硅产品营收将超过1000亿日元（7.7亿美元），而目前已挖掘出来的市场机会则超过8400亿日元（65亿美元）。

在碳化硅器件技术方面罗姆也处于领先地位。2010 年公司就开始量产首款碳化硅MOSFET，与之后推出的第2代产品都采用平面栅极设计。2015年罗姆又领先竞争对手，率先量产双沟槽结构的第3代产品。

罗姆的碳化硅MOSFET技术路线图

（来源：Rohm）

ROHM公司开发出了双沟槽MOSFET结构

该结构同时具有源极沟槽和栅极沟槽

宽禁带器件的一个问题是：在反向偏置过程中，在栅极氧化物处有更高的电场。为了利用碳化硅的高击穿能力，缓解栅极氧化物处的电场是必要的。罗姆为了改善这一问题，在源极沟槽的底部采用具有p型区域的双沟槽结构，它比栅极沟槽的底部更深。

单沟槽和双沟槽的仿真结果中，双沟槽结构的沟槽底部电场浓度更低，这种结构防止了对栅极沟槽处的氧化层破坏。通过引入上述沟槽结构，成功地降低了电场，从而提高了器件性能。

2020 年罗姆推出了针对电动汽车优化的第 4 代 1200V碳化硅MOSFET，第4代产品获得了更好的FOM（品质因数，Figure of Merit）。罗姆预测第4代碳化硅MOSFET从今年起在其销售构成中的占比逐渐增加，直至2024-2025年成为销售主力。

安森美

沟槽型产品已积累20份相关专利

据悉，安森美与客户签订的未来三年长期供应协议（LTSA）总金额已达到26亿美元，其中有超过20亿美元来自电动汽车动力总成对碳化硅模块的需求，包括蔚来汽车和特斯拉。

安森美的第1代碳化硅MOSFET技术（M1）采用平面设计，耐压等级为1200V。之后从中衍生出900V和750V耐压的规格，微观结构也改为Hex Cell设计，这两个改动相叠加使得碳化硅MOSFET的导通电阻降低了35%左右。目前安森美推出的大部分碳化硅产品均基于M1与其衍生出的M2平台。

目前最新的一代碳化硅技术（M3）仍然采用平面技术，但是改为Strip Cell设计，导通性能较上一代衍生版本再提高了16%。这一代产品将逐渐成为公司的主力车规碳化硅平台，在电压规格上覆盖电动汽车主流的400V和800V平台。

更多详见：一定要做沟槽型SiC MOSFET吗？（下）