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06-17
有目共睹，SiC功率半导体近年来的发展速度几乎超出了所有人的预期。
其中，SiC MOSFET因其替代现有硅超结（SJ）晶体管和IGBT技术的潜力而受到特别关注。
老牌行业竞争对手和新玩家们纷纷涌入，加倍押注新兴市场。
事实上，SiC MOSFET的发展历史相当悠久。
全球SiC行业领头羊沃尔夫·speed的前身Cree创始人之一约翰·帕尔莫尔早在2016年就申请了涉及在SiC衬底上生成MOS电容器的结构，这项专利后来被视为诞生的关键SiC MOSFET。
但由于衬底良率和制造工艺等问题，SiC MOSFET直到今年前后才正式商用。
当时，Cree推出了市场上第一款SiC MOSFET，采用平面栅极结构的CMF0D（也有消息称年罗姆是第一个推出第一款平面SiC MOSFET的人）。
到了这一年，罗姆率先实现了沟槽栅结构SiC MOSFET的量产。
这种结构可以更好地利用SiC材料的特性，工艺也较为复杂。
经过近10年的发展，沟槽式SiC MOSFET目前被认为是SiC MOSFET技术路线中较为优势的技术路线和发展方向。
01.平面型还是沟槽型？ 在SiC MOSFET技术路线的争论中，一直存在两种不同的结构类型：平面栅和沟槽栅。
平面栅极和沟槽栅极都是垂直导电型MOSFET。
它们的结构相似。
源极在顶层，漏极在底层。
两者的区别在于栅电极。
平面栅SiC MOSFET结构：是指栅电极和源电极在同一水平面上呈现“平面”分布，沟道与衬底平行。
平面栅结构的特点是工艺简单、单元一致性好、雪崩能量相对较高。
然而，由于平面栅SiC MOSFET器件中JFET区域的存在，输入电容较大，导致通态电阻增大，器件的电流能力降低。
沟槽SiC MOSFET结构：栅极位于源极下方，在半导体材料中形成“沟槽”。
沟槽栅结构中的沟道和栅极垂直于衬底，这也与平面栅不同。
结构上有显着差异。
尽管其工艺复杂，但单元一致性比平面结构差。
但由于沟槽结构没有JFET效应，具有较高的沟道密度，并且沟道所在的SiC晶面具有较高的沟道迁移率，因此可以实现更低的比导通电阻，实现更大的电流。
开启和更宽的开关速度。
因此，新一代SiC MOSFET主要研究并采用这种结构。
SiC功率MOSFET器件结构 相对而言，平面栅SiC MOSFET的工艺复杂度并没有那么高，发展历史也相对较长。
国内外相关产品已较早实现量产，在特斯拉、比亚迪等多家车企的带动下，平面栅SiC MOSFET功率模块今年以来已进入主驱动逆变器。
然而，在缩小芯片尺寸从而提高良率的过程中，平面栅极 SiC MOSFET 的横向拓扑限制了它们最终可以缩小的程度。
相比之下，沟槽式SiC MOSFET器件由于其沟槽栅极结构，具有以下突出优点：导电沟道由水平变为垂直，有效节省了器件面积，大大提高了功率密度；沟槽结构几乎消除了JFET区域，大大降低了器件的输入电容，提高了开关速度，降低了开关损耗； JFET区域的电阻也被消除，并且器件Rdson可以进一步提高其较低电流的能力。
与平面栅SiC MOSFET器件相比，沟槽SiC MOSFET具有更高的功率密度、更快的开关速度、更低的导通电阻和更低的损耗，因此受到了业内企业的高度关注。
通俗地说，沟槽栅SiC MOSFET可以理解为在平坦的表面上“挖孔”。
国际 SiC 制造商正在使用沟槽栅极来最大限度地发挥 SiC 的潜力。
不过，虽然各家公司都在“挖坑”，但方法却略有不同。
看了一下，有的厂家挖一个孔，有的挖两个孔，有的挖对角。
各种技术架构层出不穷，百花齐放。
业界几种沟槽栅SiC MOSFET的示意图。
为此，SiC芯片供应商，尤其是国际大厂，正在利用各自的能力，探索沟槽型SiC MOSFET。
02.沟槽SiC MOSFET，四面出击。
SiC器件领先供应商中，基本已经开始布局沟槽栅MOSFET。
罗姆 和 Infineon 是第一批转向沟槽 SiC MOSFET 的公司。
据Yole报道，沟槽SiC MOSFET阵营已从原来的罗姆和英飞凌扩展到多家领先厂商，如住友电工、三菱电机、电装、Qorvo（UnitedSiC）、ST、沃尔夫·speed、安森美半导体等等都在从平面结构MOSFET向沟槽结构转变。
罗姆：双沟槽结构 2009年，罗姆开发并量产了全球最大的沟槽结构SiC MOSFET，而且是双沟槽结构。
截至目前，罗姆的沟槽SiC MOSFET已发展到第四代。
双沟槽结构具有源极沟槽和栅极沟槽。
罗姆双沟槽SiC MOSFET结构（来源：罗姆） 在一般的单沟槽结构中，电场集中在栅极沟槽的底部，因此长期可靠性一直是一个问题。
罗姆开发的双沟槽结构在源极区也有沟槽结构，缓解了栅极沟槽底部的电场集中。
这种结构成功地降低了电场并防止了栅极沟槽处氧化层的损坏。
损坏，确保长期可靠性并提高设备性能。
据了解，在第四代SiC MOSFET中，罗姆进一步改进了双沟槽结构，在提高短路承受时间的前提下，成功比第三代产品降低了约40%的导通电阻；同时，通过显着降低Gate-to-leak电容，与第三代产品相比，成功地将开关损耗降低了约50%。
第4代SiC MOSFET与第3代SiC MOSFET的导通电阻和开关损耗比较（来源：罗姆） 罗姆预计，从今年开始，第4代SiC MOSFET在其销售结构中的比重将逐渐增加，直到成为今年的销售主力。
。
与其他仍在挑战沟槽闸门产品首次量产的竞争对手相比，罗姆已经取得了多项领先地位。
根据其产品路线图，预计2019年和2020年推出的第五代和第六代产品的导通电阻将分别再降低30%。
罗姆SiC MOSFET技术路线图 英飞凌：半包沟槽结构 众所周知，“挖”是英飞凌的绝活。
在硅基产品时代，英飞凌的沟槽IGBT和沟槽MOSFET在全球是独一无二的。
随着SiC时代的到来，市场上大多数SiC MOSFET都是平面单元，而英飞凌仍然延续了沟槽结构路线。
英飞凌半封装沟槽SiC MOSFET结构示意图。
2016年，英飞凌报道了一种采用半侧导电结构的沟槽型SiC MOSFET器件，在栅极沟槽的一侧形成导电沟道。
从上图中可以看出，相邻掺杂沟槽的区域是不对称的。
沟槽的左壁包含MOS沟道，其与a面对齐以实现最大沟道迁移率。
沟槽底部的大部分嵌入到沟槽底部下方的p型区域中。
这种结构可以保护沟槽拐角不受电场峰值的影响，提高器件的可靠性，并进一步提高器件的耐压能力，从而获得良好的开关控制和极低的动态损耗。
特别是，此功能对于抑制使用半桥的拓扑中的寄生传导引起的额外损耗至关重要。
英飞凌的CoolSiC MOSFET沟槽分立器件系列采用英飞凌独特的沟槽方法，为其系统设计带来诸多好处，包括高可靠性、提高效率、高开关频率和高功率密度。
降低系统复杂性和系统总成本。
英飞凌于2016年推出第一代CoolSiC系列SiC MOSFET，并于2018年更新了第二代产品，载流能力较第一代提升了25%-30%。
在产能方面，英飞凌目前采用其独特的“冷切割”技术来减少铸锭切割过程中的材料浪费。
未来可以从同一锭获得两倍数量的碳化硅衬底，以提高产能。
另一方面，英飞凌去年宣布将投资超过20亿欧元扩建位于马来西亚的晶圆工厂，专门用于扩大碳化硅晶圆的生产。
意法半导体：深挖平面潜力，布局沟槽。
据Yole统计，全球碳化硅功率器件市场占有率最高的厂商是意法半导体（ST）。
同时，得益于与特斯拉的合作，ST的SiC MOSFET产品也率先广泛应用于电动汽车中，特斯拉从Model 3车型开始就大规模使用ST供应的碳化硅模块。
在芯片设计方面，意法半导体不断探索平面碳化硅MOSFET的技术潜力，并于2018年推出了第四代平面栅SiC MOSFET。
与上一代产品相比，第四代平面栅碳化硅的性能得到了提升。
改进，包括导通电阻降低 15% 以及工作频率加倍至 1MHz。
此前计划的沟槽栅产品已推迟成为意法半导体第五代SiC MOSFET。
目前应该处于研发阶段，预计每年都能量产。
意法半导体SiC MOSFET路线图（来源：ST） 与平面SiC MOSFET相比，沟槽SiC MOSFET可以具有更小的导通电阻、更小的寄生电容和更强的开关性能。
产能方面，ST此前计划本财年投资21亿美元扩大产能，包括扩建原有6英寸碳化硅晶圆厂以及运营新加坡6英寸碳化硅晶圆厂。
与此同时，2016年被ST收购的瑞典碳化硅衬底制造商Norstel也开始测试8英寸碳化硅材料，预计大约在同一时间用于新加坡8英寸生产线。
安森美：沟槽型产品 今年第三季度，随着收购衬底供应商GTAT获批，安森美建立了从碳化硅锭、衬底、器件生产到模块封装的垂直一体化模式。
虽然其中部分项目的技术实力仍落后于各领域领先企业，但整体实力较为均衡：与基板龙头沃尔夫·speed相比，安森美在模组封装、测试和量产方面的经验略胜一筹;与拥有优越器件设计能力的英飞凌相比，安森美半导体多了GTAT碳化硅材料。
从产品结构来看，安森美第一代碳化硅MOSFET技术（M1）采用平面设计，耐压等级为V。
后来由此衍生出V、V耐压规格，微观结构为也改为Hex Cell设计。
这两项变化相结合，使碳化硅 MOSFET 的导通电阻降低了约 35%。
安森美目前推出的碳化硅产品大多基于M1及其衍生的M2平台。
目前最新一代的碳化硅技术（M3）仍然采用平面技术，但已改为受??专利保护的Strip Cell设计。
传导性能较上一代衍生版本提升16%。
该代产品将逐步成为公司主力车用碳化硅平台，在电压规格上覆盖电动汽车主流V、V平台。
据了解，安森美半导体下一代技术平台M4将从平面结构升级为沟槽结构。
与原有碳化硅技术相比，沟槽结构SiC MOSFET在相同载流要求下可大幅减小芯片面积。
如果再加上M4平台可能采用8英寸晶圆生产，预计M4的成本将比以前大幅降低。
事实上，安森美半导体多年来一直在研究沟槽栅极，并有许多样品正在进行内部测试。
其认为，最大的问题是过早推出沟槽栅产品在可靠性方面仍存在一定风险。
因此，安森美半导体正在优化可靠性并提高沟槽栅的利用率。
同时，在提高可靠性方面，安森美半导体也正在对沟槽栅进行彻底排查，并根据标准测试增加一些被认为存在风险的测试点，以期明确风险。
此外，从封装角度来看，安森美半导体提供了多种封装选择，还将推出具有较强设计性的下一代封装，通过封装的不断迭代来适应不同的需求。
三菱电机：独特的电场限制结构 2016年，三菱电机还开发了沟槽式SiC MOSFET。
为了解决沟槽式栅极绝缘膜在高电压下断裂的问题，三菱电机在结构设计阶段通过先进的模拟，开发出独特的电场限制结构，以减少施加在栅极上的电场使栅极绝缘膜达到传统的平面水平，从而使栅极绝缘膜在高电压下实现更高的可靠性。
三菱电机新型沟槽SiC MOSFET结构示意图（来源：三菱电机）三菱电机采用独特的电场约束结构保证器件可靠性，注入铝和氮改变半导体层的电气特性，保护栅极绝缘电影 。
具体来说，沿沟槽垂直方向注入铝元素，在沟槽底部形成电场限制层，然后通过其新技术倾斜注入铝，形成连接电场限制层和沟槽的侧地。
源，并倾斜注入氮气。
元素，然后局部形成导电性更强的高浓度掺杂层。
电场限制层将施加在栅极绝缘膜上的电场降低到传统平面结构的水平，在保证耐压的同时提高了器件的可靠性。
电场限制层与源极连接的一侧接地，以实现高速开关动作，降低开关损耗。
与平面结构相比，沟槽型器件的单元间距更小，因此功率器件可以排列更多的单元。
单元的高密度排列允许更多的电流流动，但如果栅极之间的间距太小，路径就会变得更窄，电流流动就会困难。
氮元素倾斜注入，形成局部导电性更强的高浓度掺杂层，使电流路径上更容易传输电流，从而降低电流路径的电阻。
与不使用高浓度层相比，电阻率降低约25%。
沃尔夫·speed：平面栅SiC MOSFET的优势尚未穷尽。
作为一家在SiC行业浸淫30多年的公司，沃尔夫·speed及其前身Cree在2018年推出了首款量产的碳化硅衬底，深厚的经验积累和历史积淀使沃尔夫·speed的碳化硅衬底独树一帜。
在性能和质量方面。
就连意法半导体、英飞凌、安森美等行业竞争对手也要花费数亿美元向他们采购。
因此，speed的碳化硅产品获得了至关重要的先发优势，成为整个碳化硅行业的标杆。
设计方面，沃尔夫·speed的碳化硅MOSFET采用平面设计，目前已是第3代，涵盖了V与V之间的多个电压规格。
与前两代产品相比，Gen3平面MOSFET采用了六边形晶胞微设计，其导通电阻较上一代Strip Cell降低16%。
沃尔夫·speedGen3 SiC MOSFET采用Hex Cell的平面技术（来源：沃尔夫·speed） 据了解，沃尔夫·speed的下一代产品将是沟槽栅极设计。
Gen4沟槽栅MOSFET目前仍在研发中，具体量产时间尚未透露。
。
虽然沟槽结构也在布局，但从一开始就致力于碳化硅二极管和MOSFET研发的沃尔夫·speed认为，平面栅SiC MOSFET的技术优势还远未耗尽。
沃尔夫·speed和创始人约翰·帕尔莫曾说过：“因为沟槽MOSFET具有更好的导通电阻，这是一个关键的性能指标。
只要我们在导通电阻方面远远优于沟槽SiC MOSFET，我认为没有理由改变更何况我们会不断改进平面SiC MOSFET，客户不应该关心它是平面MOSFET还是沟槽MOSFET，重要的是具体的导通电阻。
，我们只关心哪种设计能够给客户带来最大的利益。
”总之，平面结构还有深入探索的空间，可靠性也有市场。
富士电机：全SiC沟槽MOSFET 早在2010年，富士电机就开发了用于全SiC模块的V SiC沟槽MOSFET，在保持导通和关断能力的同时实现了3.5mΩcm2的低比电阻和5V的阈值电压高可靠性当前“频道”的。
结果，与之前的平面结构相比，电阻率成功降低了50%以上。
此外，富士电机还开发了采用独特引脚连接结构的高电流密度专用SiC模块，充分发挥了SiC器件的优势。
富士电机已经使用该设备实施了全SiC模块。
日本住友：V型沟槽 2016年，住友开发出底部氧化层较厚的V型沟槽SiC MOSFET器件样品，进一步提高了器件的栅氧化层可靠性和阈值稳定性。
住友电工的SiC VMOSFET截面图（来源：住友电工） 住友电工新开发了采用独特晶面的V形沟槽MOSFET。
V-MOSFET具有高效率、高阻断电压、恶劣环境下高稳定性等优越特性。
可实现大电流（单芯片A），适用于EV、HEV。
此外，住友电工还与日本产业技术综合研究所合作开发具有世界最佳导通电阻的下一代V-MOSFET。
日本电装：U型沟槽 今年3月，电装宣布开发出首款采用SiC半导体的逆变器。
其中，Denso独特的沟槽型MOS结构采用沟槽栅半导体器件，并拥有专利的电场缓和技术，提高了每个芯片的输出，因为它们减少了因发热而造成的功率损耗。
独特的结构实现了高电压和低导通电阻操作。
Denso的沟槽栅极结构（来源：Denso） 有资料显示，Denso与Sumitomo的沟槽结构类似，但改为U形沟槽。
图片来源：松格电源 Qorvo：高密度沟槽SiC JFET结构 Qorvo的SiC技术主要来自2017年收购的UnitedSiC，现在SiC也是Qorvo未来发展的重中之重。
据了解，与传统的SiC MOSFET设计不同，Qorvo采取了新的做法。
其SiC MOSFET采用高密度沟槽SiC JFET结构。
SiC MOSFET中的沟道电阻Rchannel被SiC FET中的低压硅MOSFET的电阻替代。
后者在反型层中具有更好的电子迁移率，实现单位面积超低导通电阻，从而降低损耗。
这种结构与低压Si MOSFET共同封装，SiC FET的die面积也比较小。
SiC MOSFET（左）和 Qorvo 的 SiC FET（右）架构比较（来源：Qorvo） Qorvo 扩展了其 V 产品线，将其突破性的第四代 SiC FET 技术扩展到更高电压的应用。
规格范围从 23mΩ 到 70mΩ，针对 V 电动??汽车车载充电器 (OBC) 和直流转换器等应用市场。
瑞萨电子：变体双电平沟槽MOSFET 据了解，瑞萨电子今年刚刚申请了专利，正准备研究碳化硅沟槽结构，简称“周期性连接、变体双电平沟槽MOSFET”。
来源：碳化硅芯片学习笔记写在最后。
简而言之，提高SiC MOSFET性能有几个重要指标，包括更小的单元间距、更低的比导通电阻、更低的开关损耗和更好的栅极氧化层。
防护，几乎都指向沟槽栅结构。
从行业整体来看，目前量产沟槽SiC MOSFET的主要是欧洲、美国、日本等国际SiC厂商。
从国际厂商的布局来看，沟槽栅SiC MOSFET将是未来更具竞争力的解决方案。
自2018年推出首款量产沟槽栅SiC MOSFET产品以来，已经过去了近九年的时间。
许多公司都在开发沟槽栅产品，但目前市场上能够推出量产产品的厂家并不多。
当然，设计和制造高性能沟槽栅SiC MOSFET也是国产SiC功率器件发展的重中之重。
一些公司已将研究重点转向沟槽栅极 SiC MOSFET。
但需要注意的是，国际SiC巨头已在SiC MOSFET领域深耕多年，积累了多项专利。
沟槽结构的高专利壁垒也是国内厂商需要克服的障碍。
据《碳化硅芯片学习笔记》作者介绍：“Trench SiC MOSFET全套工艺和结构IP是未来十年碳化硅竞争的门票！”在当前整体SiC市场持续快速增长的时期，提前布局是宜之举，只有走好技术路线，才有机会在未来新的应用市场中占据领先地位。
参考文献：【1】Trench跨年总结——13家碳化硅公司Trench MOSFET发展路线图【2】平面型OR沟槽型，谁拥有行业话语权？碳化硅（SiC）MOSFET未来发展方向[3]西线无声无息，碳化硅五巨头的硝烟【本文由投资界合作伙伴微信公众号授权：半导体行业观察。
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