自1991年第一批碳化硅晶圓發布后，碳化硅的進展相當緩慢，20年后才推出第一個全碳化硅商用 MOSFET。到2018年，特斯拉才在其400V逆變器中將這種新型器件推到了應用前沿。特斯拉的減少碳化硅用量實際上可能指的是碳化硅面積，也就是用碳化硅器件發展過程中的溝槽型技術路線替代平面型器件。
從平面到溝槽結構的演變的確可以節省碳化硅面積。特斯拉說的削減75%碳化硅應該被認為是采用溝槽結構。雖然業內一致認為溝槽型是發展方向，但也有觀點認為，目前溝槽型在牽引電機領域的性能不如平面型。
碳化硅MOSFET結構的演變
根據Yole SystemPlus對十余款量產的1200V碳化硅晶體管的橫截面比較，發現大多數玩家都是采用平面工藝，如安森美、Wolfspeed、Microsemi（現為Microchip）等，只有羅姆和英飛凌兩家選擇了溝槽型。意法半導體（ST）、三菱電機和Wolfspeed等其他市場領導者也在研發溝槽工藝，但迄今為止尚未量產。
本文將介紹溝槽型與平面型碳化硅器件各自的優點和缺點，分享廠商的一些觀點以及近年來的相關進展。
尺有所短，寸有所長
碳化硅MOSFET分為平面結構和溝槽結構。平面結構的特點是工藝簡單、元胞一致性較好、雪崩能量比較高；缺點是當電流被限制在靠近P體區域的狹窄N區中，流過時會產生JFET效應，增加通態電阻，且寄生電容較大。
溝槽型結構是將柵極埋入基體中，形成垂直溝道，特點是可以增加元胞密度，沒有JFET效應，溝道晶面可實現最佳的溝道遷移率，導通電阻比平面結構明顯降低；缺點是由于要開溝槽，工藝更加復雜，且元胞的一致性較差，雪崩能量比較低。盡管如此，在功率較大的器件中，溝槽型碳化硅襯底可以提高器件的功率密度和散熱能力，從而提高器件的性能和可靠性。
平面型與溝槽型碳化硅MOSFET技術
至于哪種結構更好，應取決于應用需求和器件規格。因此，通常對于功率較小的器件，平面型碳化硅襯底可能已經能夠滿足要求；而對于功率較大的器件，溝槽型碳化硅襯底可能是更好的選擇。
由于溝槽型碳化硅MOSFET專利壁壘較高，目前可量產的溝槽結構碳化硅MOSFET并不多。為了更好地保護溝槽型MOSFET的柵極氧化層，特別是底部和溝槽角落，獲得更好的抗浪涌和短路耐受能力，羅姆采用在柵極溝槽兩側構造源極雙溝槽結構來屏蔽中間的柵極溝槽底部；英飛凌則采用P+半包非對稱溝槽結構。此外，日本住友采用的是Ⅴ型溝槽結構雙掩埋結構。
溝槽結構碳化硅MOSFET
量產溝槽碳化硅廠商的做法
量產碳化硅溝槽結構的廠商認為，相比平面型結構，溝槽型碳化硅MOSFET在成本和性能方面都具有較強優勢。
羅姆是率先轉向溝槽MOSFET的公司，而英飛凌并沒有選擇進入平面結構市場，而是直接選擇了溝槽結構。電裝的溝槽型碳化硅MOSFET也已正式商用。
Yole SystemPlus指出，幾個領先玩家在碳化硅晶體管方面的設計策略表明，通過從平面工藝（第二代）切換到溝槽工藝（第三代），羅姆在4年內就將FoM（優值系數，Rdson×Qg）和間距尺寸減小了50%。下一代采用更先進的溝槽工藝可進一步改善這些指標。
作為最早將溝槽柵技術用于晶體管的廠商，羅姆2015年的第三代碳化硅產品量產雙溝槽結構碳化硅MOSFET，在改善短路耐受時間（SCWT，因短路而失效所需的時間）的同時，使導通電阻比以往產品降低約40%，實現了業界最低。之后不斷迭代，2018年羅姆推出先進的車規級溝槽型碳化硅MOSFET。
羅姆認為，相比平面型，溝槽型碳化硅MOSFET在成本和性能上都具有較強優勢。以其第三代碳化硅MOSFET（第一代溝槽型碳化硅MOSFET）為例，其芯片面積僅為其第二代平面型的75%，同樣芯片尺寸導通電阻降低了50%，而羅姆第二代溝槽型碳化硅MOSFET比第一代溝槽型產品導通電阻又降低了40%。
2020年羅姆開發出第四代溝槽結構MOSFFT，通過進一步改進自創的雙溝槽結構，改善了EV牽引逆變器等應用所需的短路耐受時間，與第三代相比，在不犧牲短路耐受時間的情況下將導通電阻降低約40%，為業內最低。在不斷改進導通電阻的過程中，設計者將面臨短路耐受時間更短的權衡。第四代碳化硅MOSFET不會犧牲短路耐受時間，因此能夠以更高的效率、更小的封裝和更高的可靠性實現轉換器和電源設計。目前，羅姆在還在開發第五代溝槽技術。
溝槽型碳化硅MOSFET的演進
英飛凌是溝槽型碳化硅MOSFET技術的擁躉，其產品定位于高質高價，這與采用的溝槽技術的先進性和成熟度有很大關系。英飛凌2016年推出第一代CoolSiC系列碳化硅MOSFET，并在2022年更新了第二代產品，相比第一代增強了25%-30%的載流能力，其第三代碳化硅MOSFET采用先進的溝槽結構，具有更低的導通損耗和開關損耗，提高了能效。
英飛凌認為，雖然平面結構碳化硅MOSFET生產工藝相對簡單，柵極氧化物可靠性更高，但在與性能相關的單位面積導通電阻和寄生電容，以及成本相關的單位電流芯片尺寸方面不能與溝槽柵設計相比。另外，開關損耗的降低可以用更小的系統尺寸實現高頻操作，從而實現更高的效率和功率密度；溝槽技術也可以提高柵氧化層的可靠性，雪崩和短路魯棒性也可以改進，以實現更高的系統可靠性。
不過，這種溝槽型MOSFET更加復雜，因此制造成本更高。此外，由于采用這種設計更難控制柵極氧化物厚度，柵極溝槽中的薄弱區域可能會挑戰器件可靠性。
尚在開發溝槽結構的廠商怎么說？
安森美在溝槽柵技術方面已研究了很多年，目前已積累了大約20份相關專利。其下一代技術平臺M4將升級為溝槽結構，有望2023年底推出，預計2024年會出樣。安森美電源方案部執行副總裁兼總經理Simon Keeton最近在北京表示：“溝槽設計是一個重要的點，可以將過去幾十年硅技術的領先經驗沿用到碳化硅中，為碳化硅技術的發展提供堅實的基礎。”
安森美中國區汽車市場技術應用負責人、碳化硅首席專家吳桐博士表示，在柵極結構方面，安森美量產的第三代碳化硅器件還是采用平面柵結構，因為有很多結構設計know-how，例如受專利保護的Strip Cell，其好處是能用平面柵結構實現更低的比電阻，性能能夠和溝槽柵媲美；其制造難度也低很多，可以保證良率和可靠性，產品成本也不會增加。
他補充說：“安森美有很多溝槽型樣品在進行內部測試，問題在于，過早地推出溝槽柵產品在可靠性方面會有一定風險。所以，公司正在對認為有風險的點進行測試和可靠性優化，提升溝槽柵的利用率。”
據東芝電子元件（上海）有限公司分立器件技術部副總監屈興國介紹，目前東芝的碳化硅仍采用平面工藝，因為它在技術上更加穩定。“當然，也有一些競品的溝槽工藝做的比較好，但從具體測試參數來看，還是平面工藝更有優勢。”不過，東芝也在開發溝槽工藝，目前來看，東芝的第三代產品、第四代產品仍定位于平面工藝，第四代以后的產品會考慮溝槽工藝。
他指出：“溝槽的主要問題在于量產的管控，現在碳化硅遇到最大問題還是良率，這種新材料的物理性能和電氣性能都比較難以駕馭。碳化硅的溝槽結構和以前傳統的硅溝槽完全是兩個概念，還需要時間進行探索。”
三菱電機功率器件制作所首席技術顧問Gourab Majumdar博士在上海接受采訪時表示，碳化硅路線將來要用到兩個新技術，在1200V以下是溝槽柵碳化硅MOSFET，3.3kV以上將采用把肖特基二極管（SBD）集成在MOSFET中的平面柵碳化硅MOSFET技術。
他解釋道，三菱電機的新型溝槽柵采用三個自研技術：一是傾斜離子注入技術（tilted ion implantation technology），以改進芯片的可生產性；二是Grounded p+ BPW（底部P井），在柵極底部“p+”的地方用BPW技術減少柵氧層的電場強度，使芯片具有更高的可靠性；三是在縱向溝道中采用n+JFET摻雜技術，使芯片整體損耗比傳統平面柵降低50%以上。
新型溝槽柵采用的自研技術
三菱電機半導體大中國區總經理赤田智史補充說：“我們目前的第二代產品是采用4H-碳化硅平面技術。現在到2025年將累計增加投資20億美元，重點研發溝槽柵MOSFET技術和高壓碳化硅MOSFET技術，同時擴大產能。”
納微半導體高級技術營銷總監祝錦認為，平面型碳化硅用得比較多，特別是電動汽車主驅應用，好處是良率比較高，成本相對較低，晶圓一致性較好。不足之處是開關轉換速度沒有溝槽型碳化硅快，同時單位晶圓面積偏大。而溝槽型犧牲了碳化硅的溫度特性，在175℃高溫和低溫情況下，導通電阻相差2倍以上。
他表示：“從生產工藝角度講，溝槽柵非常難做，良率不高，成本高，一致性也有挑戰。其最致命的問題是柵極特性，因為溝槽是垂直的，溝槽刻蝕拐點會受到較大電壓場強，所以柵極抗電場強度能力偏弱，短路電流能力也偏弱。”
據了解，納微收購的GeneSiC的產品采用平面型導通溝道，也兼顧了溝槽概念——溝槽輔助平面結構，結合了平面和溝槽的優點。其獨有的IP和專利不僅不會增加成本，還可以使碳化硅的特性達到最優，生產效率和良率比較高，每片晶圓的一致性也比較好。相比其他碳化硅產品，其運行最高溫度低25℃，壽命延長3倍之多。此外，已公布的100%耐雪崩測試中其耐受能力最高，短路耐受時間延長30%，穩定的柵極閾值電壓便于并聯控制。
平面碳化硅MOSFET的路還沒走完
Yole Intelligence認為，在器件層面，平面和溝槽型碳化硅晶體管將在市場上共存。兩者的選擇取決于每個玩家的策略和目標應用。對于MOSFET來說，平面技術在高擊穿電壓下具有更好的性價比；溝槽技術在更低擊穿電壓下效率更高。
Wolfspeed較早的一份資料也提到其Gen 3碳化硅MOSFET已經達到平面設計的實際性能極限，下一代產品將是溝槽柵設計，目前Wolfspeed的Gen 4溝槽柵仍在開發中。
盡管已去世的Wolfspeed聯合創始人兼首席技術官John Palmour博士在1992年就申請了開創性專利，描述了垂直溝槽柵極碳化硅MOSFET結構，他生前還是表示：“平面柵碳化硅MOSFET技術優勢還遠未耗盡。”
Gourab Majumdar博士也說：“在低壓領域溝槽柵技術的挑戰已基本克服，2024年車用碳化硅模塊就會用溝槽柵技術來實現。”因為低壓和高壓芯片的主要區別是厚度。低壓芯片中主要的電阻構成是溝道電阻和JFET電阻，所以有必要引入溝槽柵技術來降低總導通電阻。高壓芯片的導通電阻主要是漂移電阻（Rdrip），當然也可以采用溝槽柵來做，但沒有太大必要，因為用平面柵就可以實現低導通電阻。
國內碳化硅溝槽剛剛起步
國外碳化硅溝槽器件的研究較早，幾家龍頭企業已逐步建立起專利壁壘，產品也已占據市場。國內2014年才開始第一代和第二代平面MOSFET研發，2018年第一片國產6英寸碳化硅MOSFET晶圓誕生，2020年我國第一個量產碳化硅MOSFET投產。
國內在碳化硅溝槽器件的研究上仍處于起步階段，亟需建立碳化硅溝槽器件IP體系，培養結構設計與全套工藝能力，以突破日美歐第三代溝槽型MOSFET方面的專利封鎖，盡快縮短與國際大廠的差距，贏得未來十年碳化硅賽道競爭的入場券。
