碳化硅（SiC）MOSFET的未来发展方向-平面型 OR 沟槽型，行业谁具有话语权？

由于SiC MOSFET具有取代现有的硅超级结（SJ）晶体管和集成栅双极晶体管（IGBT）技术的潜力，因此受到了特别的关注。2010年以来，碳化硅功率MOSFET市场显著扩大，现在每年超过2亿美元。尤其是随着SiC在汽车、光伏、铁路等多个市场取代硅技术，许多新的参与者已经进入市场，有望实现两位数的复合年增长率。

通常，SiC 功率MOSFET的工作电压为1200或1700 V，旨在取代IGBT技术。但SiC MOSFET 有它的一些问题，其中大部分与栅氧化层直接相关。另外，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。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。通过引入沟槽结构，可以有效地降低了电场，从而提高了器件性能。

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。目前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。

平面型 OR 沟槽型？

SiC MOSFET自2010年Cree和ROHM推出1G以来，平面栅结构一直被使用，但平面栅结构限制了元胞间距的减小速率，预计在更高代次的产品中沟槽栅结构将取代平面栅结构。功率晶体管由很多个元胞组成，这些元胞以间距大小Cell Pitch为特征。技术扩展旨在减少晶体管元胞间距。

RONxA表示芯片每平方毫米的导通电阻，通常用mΩ x mm2单位表示。对于垂直晶体管，RONxA取决于晶体管布局、垂直结构和杂质掺杂分布设计。RONxA越小，芯片尺寸越小,同时降低了成本/价格、晶体管电容、动态损耗和开关延迟时间。

与高级逻辑CMOS一样，功率晶体管技术的发展是由降低成本和提高性能的需求推动的。这些目标是通过开发新的晶体管结构和缩小尺寸来实现的，对于恒定的Ron值，芯片面积每三年比上一代减小0.7倍。自2016年以来，领先制造商已推出商用沟槽栅SiC MOSFET，更小的元胞尺寸给这些器件的可靠性和鲁棒性带来了新的挑战。

典型的SiC MOSFET结构

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。

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。

相对而言，平面栅SiC MOSFET工艺复杂度没那么高，而且开发历史比较长，国内外相关产品较早实现量产，并且在特拉斯、比亚迪等众多车企带动下，平面栅SiC MOSFET功率模块自2018年就进入了主驱逆变器。

沟槽栅SiC MOSFET的发展则较为缓慢，主要受限于工艺水平和栅氧可靠性等问题，比如栅极沟槽底部电场集中，通常会引发长期可靠性问题。尽管如此，国内外依旧有众多的企业和机构在研发沟槽栅 SiC MOSFET，因为这种结构理论上，可以最大限度地发挥SiC材料的特性，尤其是可以进一步降低器件成本和导通电阻。目前碳化硅器件的价格仍然是硅器件的4倍左右，因此仅在一些对体积和效率要求比较高的场景，SiC MOSFET的渗透率会快一些，所以亟需降低成本以加速打入更多应用场景。

目前，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。接下来，我们来具体看下巨头们的技术路线选择。

巨头们的选择

英飞凌:半包沟槽结构

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。例如，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。

今年，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。

罗姆：第四代双沟槽将成为主力

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。

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。目前，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。

FUJI公司：P阱覆盖沟槽底部沟槽底部的栅极氧化物的结构

采用了一种用P阱覆盖沟槽底部沟槽底部的栅极氧化物的结构，同时减小了cell pitch并优化了MOS沟道长度及JFET区域。该结构使得沟槽底部P阱底角部分的电场达到最大值，从而使得栅极氧化物中的电场得到松弛。为了同时建立高阈值电压和低导通电阻,设计减少了cell pitch并优化了MOS沟道长度，随着cell间距的收缩，在导通状态下电阻比例降低。为了同时建立低导通电阻和高击穿电压，将JFET区域优化在沟槽底部P阱和源极接触点下方之间的区域。通过对这种结构的优化，使得导通电阻降低了3%的同时提高2%的击穿电压。

Mitsubishi公司：沟槽型SiC-MOSFET，采用了独特电场限制结构

在垂直沟槽方向注入铝元素，使沟槽底部形成电场限制层，再通过其新技术斜向注入铝，形成连接电场场限制层和源极的侧接地，并斜向注入氮元素，再局部形成更容易导电的高浓度掺杂层。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水平，保证耐压的同时，提高器件的可靠性。连接电场限制层和源极的侧接地，实现了高速开关动作，减少开关损耗。与平面结构相比，沟槽型器件Cell pitch更小，所以功率器件能排列更多的元胞。元胞高密度排列使得流动的电流变多，但各栅极的之间的间隔太小就会导致路径变窄，电流流动困难。将氮元素斜向注入，在局部形成更容易导电的高浓度掺杂层，使电流路径上的电流变得容易传输，从而降低电流通路的电阻。与没用高浓度层相比，电阻率降低了约25%。

HestiaPower公司：提出了一种结势垒肖特基二极管集成碳化硅MOSFET

将DMOS和结势垒肖特基二极管（JBS）合并到单片SiC器件中，分别在n+/p+区形成欧姆接触，在漂移层形成肖特基接触，在MOSFET的有源区形成嵌入JBS。

JMOS器件比传统SiC DMOS具有更低的反向导通压降，VSD改善了47%。在动态性能方面也具有优越性，反向恢复电荷（Qrr）降低54%，最大反向恢复电流（IRMax）降低40%。当SiC MOSFET中的寄生体二极管开启时，集成JBS还可以防止由于注入的少数载流子的复合而导致的位错缺陷转变为层错而导致的潜在失效。且无需任何附加工艺和面积损失，是一种成本效益高的方法。

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。

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. 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。

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。

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%。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。

2022年沟槽栅SiC MOSFET快速上车，布局行业市场

除了罗姆外、英飞凌、博世、电装等众多国内外企业都在开发沟槽栅产品，且多家企业的产品已经成功量产，意法半导体、安森美等企业也在布局开发自己的沟槽栅SiC MOSFET。

2022年，SiC MOSFET继续上车。据公开报道不完全统计，今年1-7月，全球新增了多款SiC车型，包括：丰田旗下的雷克萨斯RZ、现代旗下IONIQ6、吉利旗下的Smart精灵#1以及蔚来旗下的ES7等。除了蔚来外，上述车型都采用了沟槽栅SiC MOSFET供应商，包括电装、博世、英飞凌、罗姆。

截至目前，丰田、现代和吉利等多家车企的主驱都已采用沟槽栅SiC MOSFET，其供应商包括电装、英飞凌、博世和罗姆等。中国方面，多家公司也将沟槽SiC MOSFET作为技术开发重点，甚至已有一家国内企业已经量产了沟槽SiC MOSFET，其成本相比平面SiC MOSFET可降低40%。目前该产品正在进行上车验证，预计明年即将在国内的自有晶圆厂完成流片。

另外，从今年上车的情况来看，博世、英飞凌和罗姆等企业似乎已经针对沟槽栅SiC MOSFET的可靠性课题，找到了缓和栅极沟槽底部的电场集中问题的技术和工艺，来确保产品长期可靠性。目前，我国的安海半导体在2022年初成功研发出第一代沟槽栅SiC MOS，单芯片内阻达到新能源主驱应用级别：1200V 15mΩ的SiC MOSFET，芯片面积相较目前国外知名品牌同规格的SiC MOS都要小（单芯片面积小于20mm²），目前已实现量产，正在上车验证中。另外，安海第二代沟槽栅SiC MOS也正在研发中，有望于2023年初在国内自有晶圆厂完成流片。

当然，设计、制造高性能的沟槽栅SiC MOSFET也是我国SiC功率器件发展的当务之急，部分企业、事业单位已经将研究的重心转移至沟槽栅SiC MOSFET，比如杭州电子科技大学、香港科技大学等。

沟槽是潮流，一定要做沟槽？

对于是否一定要做沟槽问题，我们需要考虑理论可行性和实际市场需求问题。

不管Si IGBT还是Si MOSFET，沟槽栅结构的设计相比于平面栅结构具有明显的性能优势，但是对于SiC MOSFET来说，目前这种优势不再显著。

从理论上来看，平面栅 SiC MOSFET的沟道迁移率低，相较之下，沟槽栅SiC MOSFET则呈现出更佳的电学特性，其优势包括：元胞密度高、导通损耗低、开关性能强等。

根据高斯定理，SiC MOSFET中栅极SiO2表面承受的电场强度约是其对应的SiC表面电场强度的2.5倍，由于碳化硅材料以高临界击穿电场强度著称（约为硅材料的10倍），所以SiC MOSFET中栅极SiO2承受的电场强度极高，比Si MOSFET/IGBT中栅极SiO2承受的电场强度高一个数量级。因此，SiC MOSFET的大部分问题都与栅氧化层直接相关。

例如，SiC MOSFET 栅极氧化层的可靠性问题。沟槽栅SiC MOSFET更加严重，因为接近90°的沟槽栅拐角进一步加剧了电力线的集中，此处的栅氧层极易被击穿。

解决栅极氧化层可靠性问题是目前所有的沟槽栅SiC MOSFET结构设计必须首先解决的问题，已有技术路线是设计额外的JFET区，通过其耗尽区的“夹断”来屏蔽保护中间的栅极氧化层，减少沟槽栅拐角位置氧化层承受的电应力，但这同时也引入了很大的JFET电阻，导通电阻因此显著增加。

总的来说，平面型SiC MOSFET由于具备天然的可靠性优势，更容易被市场认可。当然，如果未来栅极介质层的可靠性问题得到彻底解决，更紧凑的沟槽型SiC MOSFET仍然具有巨大的发展潜力。

但是，客户关心的并不是它究竟是平面MOSFET还是沟槽MOSFET，更重要的是特定导通电阻。事实上，我们也不在乎哪种技术路线，我们只关注哪种设计能给客户带来最大的利益。“简而言之，平面结构还有深挖的空间，国内企业深耕平面型，做好可靠性，也一样有市场！