自1991年第一批碳化硅晶圓發(fā)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(fā)展過程中的溝槽型技術(shù)路線替代平面型器件。
從平面到溝槽結(jié)構(gòu)的演變的確可以節(jié)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(jié)構(gòu)。雖然業(yè)內(nèi)一致認為溝槽型是發(fā)展方向，但也有觀點認為，目前溝槽型在牽引電機領(lǐng)域的性能不如平面型。
碳化硅MOSFET結(jié)構(gòu)的演變
根據(jù)Yole SystemPlus對十余款量產(chǎn)的1200V碳化硅晶體管的橫截面比較，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)玩家都是采用平面工藝，如安森美、Wolfspeed、Microsemi（現(xiàn)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(lǐng)導者也在研發(fā)溝槽工藝，但迄今為止尚未量產(chǎn)。
本文將介紹溝槽型與平面型碳化硅器件各自的優(yōu)點和缺點，分享廠商的一些觀點以及近年來的相關(guān)進展。
尺有所短，寸有所長
碳化硅MOSFET分為平面結(jié)構(gòu)和溝槽結(jié)構(gòu)。平面結(jié)構(gòu)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(qū)域的狹窄N區(qū)中，流過時會產(chǎn)生JFET效應，增加通態(tài)電阻，且寄生電容較大。
溝槽型結(jié)構(gòu)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(xiàn)最佳的溝道遷移率，導通電阻比平面結(jié)構(gòu)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(shù)
至于哪種結(jié)構(gòu)更好，應取決于應用需求和器件規(guī)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(jīng)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(chǎn)的溝槽結(jié)構(gòu)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(cè)構(gòu)造源極雙溝槽結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。此外，日本住友采用的是Ⅴ型溝槽結(jié)構(gòu)雙掩埋結(jié)構(gòu)。
溝槽結(jié)構(gòu)碳化硅MOSFET
量產(chǎn)溝槽碳化硅廠商的做法
量產(chǎn)碳化硅溝槽結(jié)構(gòu)的廠商認為，相比平面型結(jié)構(gòu)，溝槽型碳化硅MOSFET在成本和性能方面都具有較強優(yōu)勢。
羅姆是率先轉(zhuǎn)向溝槽MOSFET的公司，而英飛凌并沒有選擇進入平面結(jié)構(gòu)市場，而是直接選擇了溝槽結(jié)構(gòu)。電裝的溝槽型碳化硅MOSFET也已正式商用。
Yole SystemPlus指出，幾個領(lǐng)先玩家在碳化硅晶體管方面的設(shè)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(nèi)就將FoM（優(yōu)值系數(shù)，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(shù)用于晶體管的廠商，羅姆2015年的第三代碳化硅產(chǎn)品量產(chǎn)雙溝槽結(jié)構(gòu)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(chǎn)品降低約40%，實現(xiàn)了業(yè)界最低。之后不斷迭代，2018年羅姆推出先進的車規(guī)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(yōu)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(chǎn)品導通電阻又降低了40%。
2020年羅姆開發(fā)出第四代溝槽結(jié)構(gòu)MOSFFT，通過進一步改進自創(chuàng)的雙溝槽結(jié)構(gòu)，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(yè)內(nèi)最低。在不斷改進導通電阻的過程中，設(shè)計者將面臨短路耐受時間更短的權(quán)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(xiàn)轉(zhuǎn)換器和電源設(shè)計。目前，羅姆在還在開發(fā)第五代溝槽技術(shù)。
溝槽型碳化硅MOSFET的演進
英飛凌是溝槽型碳化硅MOSFET技術(shù)的擁躉，其產(chǎn)品定位于高質(zhì)高價，這與采用的溝槽技術(shù)的先進性和成熟度有很大關(guān)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(chǎn)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(jié)構(gòu)，具有更低的導通損耗和開關(guān)損耗，提高了能效。
英飛凌認為，雖然平面結(jié)構(gòu)碳化硅MOSFET生產(chǎn)工藝相對簡單，柵極氧化物可靠性更高，但在與性能相關(guān)的單位面積導通電阻和寄生電容，以及成本相關(guān)的單位電流芯片尺寸方面不能與溝槽柵設(shè)計相比。另外，開關(guān)損耗的降低可以用更小的系統(tǒng)尺寸實現(xiàn)高頻操作，從而實現(xiàn)更高的效率和功率密度；溝槽技術(shù)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(xiàn)更高的系統(tǒng)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(shè)計更難控制柵極氧化物厚度，柵極溝槽中的薄弱區(qū)域可能會挑戰(zhàn)器件可靠性。
尚在開發(fā)溝槽結(jié)構(gòu)的廠商怎么說？
安森美在溝槽柵技術(shù)方面已研究了很多年，目前已積累了大約20份相關(guān)專利。其下一代技術(shù)平臺M4將升級為溝槽結(jié)構(gòu)，有望2023年底推出，預計2024年會出樣。安森美電源方案部執(zhí)行副總裁兼總經(jīng)理Simon Keeton最近在北京表示：“溝槽設(shè)計是一個重要的點，可以將過去幾十年硅技術(shù)的領(lǐng)先經(jīng)驗沿用到碳化硅中，為碳化硅技術(shù)的發(fā)展提供堅實的基礎(chǔ)。”
安森美中國區(qū)汽車市場技術(shù)應用負責人、碳化硅首席專家吳桐博士表示，在柵極結(jié)構(gòu)方面，安森美量產(chǎn)的第三代碳化硅器件還是采用平面柵結(jié)構(gòu)，因為有很多結(jié)構(gòu)設(shè)計know-how，例如受專利保護的Strip Cell，其好處是能用平面柵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)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(chǎn)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(nèi)部測試，問題在于，過早地推出溝槽柵產(chǎn)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(yōu)化，提升溝槽柵的利用率。”
據(jù)東芝電子元件（上海）有限公司分立器件技術(shù)部副總監(jiān)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(shù)上更加穩(wěn)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(shù)來看，還是平面工藝更有優(yōu)勢。”不過，東芝也在開發(fā)溝槽工藝，目前來看，東芝的第三代產(chǎn)品、第四代產(chǎn)品仍定位于平面工藝，第四代以后的產(chǎn)品會考慮溝槽工藝。
他指出：“溝槽的主要問題在于量產(chǎn)的管控，現(xiàn)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(jié)構(gòu)和以前傳統(tǒng)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(shù)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(shù)，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(shù)。
他解釋道，三菱電機的新型溝槽柵采用三個自研技術(shù)：一是傾斜離子注入技術(shù)（tilted ion implantation technology），以改進芯片的可生產(chǎn)性；二是Grounded p+ BPW（底部P井），在柵極底部“p+”的地方用BPW技術(shù)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(shù)，使芯片整體損耗比傳統(tǒng)平面柵降低50%以上。
新型溝槽柵采用的自研技術(shù)
三菱電機半導體大中國區(qū)總經(jīng)理赤田智史補充說：“我們目前的第二代產(chǎn)品是采用4H-碳化硅平面技術(shù)。現(xiàn)在到2025年將累計增加投資20億美元，重點研發(fā)溝槽柵MOSFET技術(shù)和高壓碳化硅MOSFET技術(shù)，同時擴大產(chǎn)能。”
納微半導體高級技術(shù)營銷總監(jiān)祝錦認為，平面型碳化硅用得比較多，特別是電動汽車主驅(qū)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(guān)轉(zhuǎn)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(chǎn)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(zhàn)。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(jù)了解，納微收購的GeneSiC的產(chǎn)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(jié)構(gòu)，結(jié)合了平面和溝槽的優(yōu)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(yōu)，生產(chǎn)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(chǎn)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(wěn)定的柵極閾值電壓便于并聯(lián)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(shù)在高擊穿電壓下具有更好的性價比；溝槽技術(shù)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(jīng)達到平面設(shè)計的實際性能極限，下一代產(chǎn)品將是溝槽柵設(shè)計，目前Wolfspeed的Gen 4溝槽柵仍在開發(fā)中。
盡管已去世的Wolfspeed聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官John Palmour博士在1992年就申請了開創(chuàng)性專利，描述了垂直溝槽柵極碳化硅MOSFET結(jié)構(gòu)，他生前還是表示：“平面柵碳化硅MOSFET技術(shù)優(yōu)勢還遠未耗盡。”
Gourab Majumdar博士也說：“在低壓領(lǐng)域溝槽柵技術(shù)的挑戰(zhàn)已基本克服，2024年車用碳化硅模塊就會用溝槽柵技術(shù)來實現(xiàn)。”因為低壓和高壓芯片的主要區(qū)別是厚度。低壓芯片中主要的電阻構(gòu)成是溝道電阻和JFET電阻，所以有必要引入溝槽柵技術(shù)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(xiàn)低導通電阻。
國內(nèi)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(yè)已逐步建立起專利壁壘，產(chǎn)品也已占據(jù)市場。國內(nèi)2014年才開始第一代和第二代平面MOSFET研發(fā)，2018年第一片國產(chǎn)6英寸碳化硅MOSFET晶圓誕生，2020年我國第一個量產(chǎn)碳化硅MOSFET投產(chǎn)。
國內(nèi)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(yǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)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。
