又一大厂确定下一代SiC MOSFET采用沟槽设计

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）2024年上半年，安森美发布了第二代1200V SiC MOSFET产品，在这款产品上采用了最新的面向高开关性能的M3S工艺平台（M3平台还有另一个分支M3T，主要针对逆变器应用）。M3系列工艺平台延续了过去几代产品上使用的平面型结构，并实现了显著的技术指标提升。

图源：安森美

SiC MOSFET采用沟槽型结构能够突破平面结构的限制，进一步提高功率器件的功率密度，这在硅基MOSFET上已经被广泛验证。安森美最近在官微上也正式宣布，下一代M4S和M4T产品将采用沟槽设计，与此同时结合薄晶圆技术，进一步将管芯体积减小25%。另外安森美M4工艺平台将采用100%沟槽利用率设计，以提供真正有别于传统平面器件的性能。

沟槽结构的优势

在早期的SiC MOSFET设计中，平面型结构是最普遍的，由于结构较为简单，工艺相对成熟稳定，所以最先被大规模应用。

在MOSFET中元胞（Cell）是指构成MOSFET的基本重复单元。每个元胞都是一个独立的、功能完整的MOSFET，但为了达到更高的电流承载能力和更好的热分布，实际应用中的MOSFET通常是由大量这样的元胞并联组成的，一般一个元胞包括源极、栅极、漏极以及导电的沟道等结构。

平面型MOSFET中，栅极电极和源极电极在同一水平面上，每个元胞是独立并排列成阵列，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。

由于技术成熟，并且在SiC MOSFET上已经实现多年大规模应用，可靠性得到验证，平面栅依然具备优势。安森美也在其文章中提到，“在硅衬底平面MOSFET中，氧化物与硅结合在一起，这种界面已经过广泛的研究和设计。在平面SiC中，顶部硅层发生氧化的情况与硅衬底有一定程度的相似性。此外对于沟槽SiC，碳在氧化过程中起着不可忽视的作用--这是一种不同的、更具挑战性的情况，可能会导致界面形成物理上的锯齿状区域，从而可能导致电气问题。对于许多供应商来说，这仍然是一个有待时间、丰富的现场经验和工程验证才能明确解决的问题。”

不过，从性能上看，对于MOSFET而言，器件的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。

但平面型器件由于栅极是横向，所以一定程度上限制了元胞间距的缩小。而沟槽型结构的元胞通过深沟槽蚀刻到SiC晶圆中，从而使得栅极位于沟槽的侧壁上，减小了元胞间距，于是可以实现更高的电流密度、更低的导通电阻等性能提升。同时元胞间距减小，最显著的变化就是同样的晶圆面积下能够容纳更多元胞，也就可以在同样的规格下减小芯片尺寸。

所以在各家的产品路线图上，沟槽型SiC MOSFET都是确定的未来方案。


沟槽型SiC MOSFET已上车，各家进度不一

目前，市面上已经量产并大规模应用沟槽型SiC MOSFET的只有两家，英飞凌和罗姆，而目前两家厂商的SiC MOSFET已经在一些车型上使用，比如英飞凌供货小鹏、罗姆供货吉利系等。

特斯拉在2018年首次推出搭载SiC MOSFET的车型，而其中使用的是来自意法半导体的650V SiC MOSFET，车型的畅销也带动了意法半导体在车用SiC市场上保持着极高的市场份额。

在意法半导体早年的路线图上，曾经计划在2022年推出沟槽型SiC MOSFET产品，但直到今年的路线图上，沟槽型SiC MOSFET产品已经被推迟到2025年。

当然其中原因有平面型SiC MOSFET在过去这些年汽车上的大规模应用中，已经逐渐完善工艺，工艺一致性和器件可靠性达到一定的水平，性能也足够当前汽车的应用。所以对于很多厂商而言，一方面可能是器件可靠性需要较长验证周期，或是工艺需要持续改善；另一方面是市场需求并没有那么急迫，平面型也依然有一些提升空间。

而海外功率半导体厂商，Wolfspeed、三菱、富士、电装，以及刚被安森美从Qorvo手上收购的UnitedSiC等，都已经积极布局了沟槽型SiC MOSFET，申请了多项专利，并部分已经推出了样品。

而国内功率SiC厂商，目前量产产品主要还是平面型，不过都在积极布局沟槽型，包括布局专利、工艺等，比如三安此前表示沟槽型SiC MOSFET产品将会在2025年一季度推出，在中车的官网中，最新的产品介绍页面也已经显示SiC MOSFET产品采用第四代沟槽栅技术。另外扬杰科技、华羿微电、矽普半导体等多家厂商都有沟槽型SiC MOSFET的专利布局。

小结：

对于电动汽车大功率、低能耗的发展趋势，发展沟槽型SiC MOSFET是必然的技术方向。不过在汽车这种安全为先的应用中，可靠性依然会是选择功率器件的最重要指标，所以整体SiC MOSFET从平面转换到沟槽的过程，尤其是在汽车应用中，还需要很长一段时间。