首次量产至今8年时间，沟槽栅SiC MOSFET的发展现状如何？

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）SiC MOSFET的发展历史其实相当长远，全球SiC产业龙头Wolfspeed的前身Cree公司，其创始人之一John Palmour在1987年申请了一项涉及在SiC衬底上生成MOS电容器的结构，这项专利后来被视为促成SiC MOSFET诞生的关键。

不过，由于衬底良率、制造工艺等问题，直到2011年SiC MOSFET才正式实现商业化，彼时的Cree推出了市场上第一款SiC MOSFET，采用平面栅结构的CMF20120D。到了2015年，罗姆率先实现沟槽栅结构SiC MOSFET的量产，这种结构更能够发挥SiC材料的特性，工艺更复杂。经过10多年的发展，目前在SiC MOSFET的技术路线上，沟槽栅已经被认为是更有优势的方向。

平面栅和沟槽栅有哪些区别？

平面栅结构 图源：基本半导体

从结构上看，最明显的特征是，平面结构的SiC MOSFET是指栅极电极和源极电极在同一水平面上，也就是呈现“平面”分布，沟道与衬底平行。平面栅工艺相对简单，容易实现较好的栅氧化层质量，有较强的抗电压冲击能力，实际应用中可靠性更高，在过载工况下也不容易被损坏。

不过相对地，对于MOSFET而言，器件导通能力取决于元胞间距，元胞间距越小、密度越高，导通电阻以及开关损耗就越低，同时还能提高器件的耐压能力，降低器件尺寸，提升功率密度。但平面栅由于栅极是横向，所以一定程度上限制了元胞间距的缩小，为了进一步缩小元胞间距，沟槽栅结构取代平面栅就成了目前的功率芯片厂商的产品趋势。

沟槽栅结构 图源：基本半导体

沟槽栅结构是指栅极电极位于源极电极下方，在半导体材料中形成一个“沟槽”。同时也能从上图中看到，沟槽栅结构中的沟道和栅极是垂直于衬底的，这也是与平面栅结构的一个显著区别，正因为这样的结构，可以让功率芯片的元胞间距大幅缩小，在性能上展现出比平面栅SiC MOSFET更低的导通电阻、更强的开关性能、更低的导通损耗等。

但沟槽栅也不是完全没有缺点。结构上沟槽栅SiC MOSFET需要在基板上挖出沟槽，将栅极埋入形成垂直沟道，工艺显然相比平面栅更复杂，良率、单元一致性都较差。同时，沟槽栅SiC MOSFET中的二氧化硅栅极所承受的电场强度比在硅基IGBT/MOSFET中高很多，因此栅极氧化层的可靠性会存在一些问题。当然，这些问题可以通过改进栅极氧化工艺等方式解决，或是通过不同的结构设计改善栅极底部电场集中的问题。

沟槽栅SiC MOSFET发展现状

罗姆作为最早量产SiC MOSFET的厂商，在2010年率先量产平面栅SiC MOSFET之后，在2015年的第三代产品上又再一次夺得先机，率先量产双沟槽结构的第三代产品。正如上文的沟槽栅结构示意图中一样，SiC MOSFET一般是单沟槽结构，即只有栅极沟槽；罗姆开发出的双沟槽MOSFET即同时具有源极沟槽和栅极沟槽。

前文我们也提到，为了充分利用SiC材料的高击穿能力，需要改善栅极氧化物处电场集中的问题。罗姆在官方介绍中表示，SiC MOSFET通过采用双沟槽的结构，在测试中可以实现比罗姆第二代平面栅SiC MOSFET降低约50%的导通电阻，同时输入电容降低35%，提升了开关性能。

罗姆2021年推出最新的第四代SiC MOSFET，进一步改进了双沟槽结构，成功在改善短路耐受时间的前提下，使导通电阻比第三代产品又降低约40%；同时通过大幅降低栅漏电容，成功地使开关损耗比以第三代产品降低约50%。按照其产品路线图，预计2025年和2028年推出的第五代和第六代产品的导通电阻将会分别再降低30%。

英飞凌的SiC MOSFET采用了不对称的半包沟槽结构，与罗姆几乎是目前业界唯二量产上车的SiC MOSFET沟槽设计。这种不对称的半包沟槽结构能够在独特的晶面上形成沟道，并可以使用较厚的栅极氧化层，实现很低的导通电阻，并提高了可靠性。英飞凌在2016年推出了第一代CoolSiC系列SiC MOSFET，并在2022年更新了第二代产品，相比第一代增强了25%-30%的载电流能力。

目前量产沟槽型SiC MOSFET的国际厂商还包括富士、三菱电机、住友电工、日本电装等，还有更多比如ST、博世、安森美等厂商，都有相关布局，ST计划在2025年推出其首款沟槽型SiC MOSFET产品。从国际厂商的布局来看，沟槽栅SiC MOSFET会是未来更具竞争力的方案。

国内方面，安海半导体、芯塔电子、芯长征科技、中车时代等都已经有相关的专利技术等布局，目前沟槽栅SiC MOSFET的专利竞争较大，特别是日系厂商比如电装、罗姆、富士电机等较为强势。国内厂商入局相对较晚，但相对布局较前的厂商可能会拥有更大的发挥空间。


小结：

总而言之，提高SiC MOSFET性能的几个重要指标，包括更小的元胞间距、更低的导通电阻、更低的开关损耗、更高的可靠性（栅极氧化保护），几乎都指向了沟槽栅结构。从2015年第一款量产沟槽栅SiC MOSFET产品推出到现在过去了8年时间，但市面上能够推出量产产品的厂商并不算多，在目前整体SiC市场持续高速增长的时期，提前布局合适的技术路线，才有机会在未来新的应用市场上占得先机。