有目共睹的是，近年來碳化矽功率半導體的發展速度幾乎超出了大家的預期。 其中，SIC MOSFET因其取代現有矽超結（SJ）電晶體和IGBT技術的潛力而受到特別關注。
行業競爭對手和新玩家紛紛湧入，在這個新興市場加倍投入。
事實上，SiC MOSFET的發展歷史悠久，早在2024年，全球碳化矽行業領導者Wolfspeed的前身Cree Corporation的創始人之一John Palmour就申請了一種涉及在碳化矽襯底上產生MOS電容器的結構，這項專利後來被認為是創造碳化矽MOSFET的關鍵。
然而，由於襯底良率和製造工藝等問題，直到2024年左右，SIC MOSFET才實現商業化。
當時，CREE推出了市場上第一款SiC MOSFET，具有平面柵極結構的CMF20120D（據其他說法，ROHM在2024年率先推出了第一款平面SiC MOSFET）。 2024年，ROHM率先量產採用溝槽柵結構的SiC MOSFET，可以更好地利用SiC材料的特性，使工藝更加複雜。
經過近10年的發展，溝槽式SiC MOSFET正被認為是SiC MOSFET技術路線中更具優勢的技術路線和發展方向。
平面還是凹槽？
在SiC MOSFET技術路線圖的爭奪戰中，一直存在兩種不同的結構型別：平面柵極和溝槽柵極。
平面柵極和溝槽柵極都是垂直導電的MOSFET，兩者在結構上有相似之處，源極在上，漏極在下，兩者的區別在於柵極。
平面柵極SiC MOSFET結構：柵極和源極分布在同一水平面上的“平面”內，溝道平行於襯底。 平面網格結構的特點是工藝簡單，元素一致性好，雪崩能量高。 然而，由於JFET區域的存在，平面柵SiC MOSFET器件具有較大的輸入電容，這增加了導通電阻並降低了器件的電流能力。
溝槽SiC MOSFET結構：柵極位於源極下方，在半導體材料中形成“溝槽”，溝槽柵結構中的溝道和柵極垂直於襯底，這也是與平面柵結構的顯著區別。 儘管過程複雜，但單元一致性比平面結構差。 但是，由於溝槽結構沒有JFET效應，具有較高的溝道密度，並且在溝槽所在的SiC晶體平面上具有較高的溝道遷移率，因此可以實現更低的比導通電阻、更高的電流導通和更寬的開關速度。
因此，新一代SiC MOSFET主要採用這種結構進行研究和採用。
SiC功率MOSFET器件結構。
相對而言，平面柵極SiC MOSFET工藝複雜度不高，發展歷史也比較長，國內外相關產品較早實現量產，在特斯拉、比亞迪等多家車企的帶動下，平面柵極SiC MOSFET功率模組從2024年開始進入主驅逆變器。
然而，在減小晶元尺寸從而提高良率的過程中，平面柵極SiC MOSFET的橫向拓撲結構限制了其最終可以減小的程度。
相比之下，溝槽式SiC MOSFET器件由於其溝槽柵結構而具有以下突出優勢
導電通道由水平變為垂直，有效節省器件面積，大大提高功率密度。
溝槽結構幾乎消除了JFET區域，大大降低了器件的輸入電容，提高了開關速度，降低了開關損耗。
JFET區域的電阻也被消除，該器件的RDSON能力可以進一步提高，以降低電流。
與平面柵極SiC MOSFET器件相比，溝槽SiC MOSFET具有更高的功率密度、更快的開關速度、更低的導通電阻和更低的損耗，因此引起了行業公司的極大關注。
通俗地說，溝槽柵極SiC MOSFET可以理解為在平坦表面的基礎上“挖坑”，國際SIC廠商正在利用溝槽柵極最大限度地發揮SiC的潛力。 不過，雖然每個都是“挖坑”，但方式略有不同，看來，有的廠家挖坑，有的挖兩個坑，有的斜挖，各種技術結構層出不窮，百花齊放。
業界幾種溝槽柵極SiC MOSFET示意圖。
為此，碳化矽晶元廠商，尤其是國際廠商，正在充分發揮各自的技能，開始探索溝槽式碳化矽MOSFET。
溝槽式SiC MOSFET，多方面攻擊。
在領先的SiC器件製造商中，他們基本上已經開始部署溝槽柵MOSFET。
ROHM和英飛凌率先轉向溝槽式SiC MOSFET。 根據YOL報告，溝槽SiC MOSFET陣營已經從最初的ROHM和Infineon擴充套件到多家領先的製造商，如住友電工、三菱電機、電裝、Qorvo（UnitedSiC）、意法半導體、Wolfspeed、安森美半導體等，都在從平面MOSFET向溝槽結構轉型。
羅姆：雙槽結構
2024年，ROHM開發並量產了全球首款採用溝槽結構和雙槽結構的SiC MOSFET。 截至目前，ROHM的溝槽式SiC MOSFET已發展成為源極溝槽和柵極溝槽兼備的雙溝槽結構。
ROHM雙溝槽SiC MOSFET結構。
資料來源：羅姆）。
在典型的單溝槽結構中，電場集中在柵極溝槽的底部，因此長期可靠性始終是乙個問題。 ROHM開發的雙溝槽結構在源區也具有溝槽結構，以緩解柵溝底部的電場集中，成功地降低了電場，防止了柵極溝槽處氧化層的破壞，保證了長期可靠性，提高了器件的效能。
據了解，在第四代SiC MOSFET中，羅姆進一步改進了雙溝槽結構，在改善短路耐受時間的前提下，與第三代產品相比，成功降低了導通電阻約40%。 同時，通過顯著降低柵極漏電容，與第三代產品相比，開關損耗降低了約50%。
第4代SiC MOSFET與第3代的導通電阻和開關損耗比較（出處：ROHM）。
從2024年到2024-2024年，第四代SiC MOSFET的ROHM**將逐步增加其在銷售組合中的份額。
與其他仍在挑戰首次量產溝槽澆口產品的競爭對手相比，ROHM已經領先了幾個位置。 根據其產品路線圖，將於 2025 年和 2028 年推出的第 5 代和第 6 代的導通電阻預計將再降低 30%。
ROHM的SiC MOSFET技術路線圖。
英飛凌：半成套溝槽結構
眾所周知，“挖洞”是英飛凌的祖傳技藝。
在矽基產品時代，英飛凌的溝槽式IGBT和溝槽式MOSFET在世界上獨樹一幟。 隨著SiC時代的到來，市場上的SiC MOSFET大多是平面電池，英飛凌延續了溝槽結構路線。
英飛凌半封裝溝槽式SiC MOSFET結構示意圖。
2024年，英飛凌報道了一種採用半側導通結構的溝槽式SiC MOSFET器件，該器件可在柵極溝槽的一側形成導電通道。 從上圖可以看出，相鄰溝槽中的區域是不對稱的，溝槽的左壁包含MOS通道，MOS通道與A平面對齊以達到最佳通道移動性，溝槽底部的大部分嵌入溝槽底部下方的P形區域。
該結構可以保護溝槽的角落免受電場的峰值影響，提高器件的可靠性，並進一步提高器件的耐壓，使開關控制良好，動態損耗很低。 特別是，此特性對於抑制使用半橋的拓撲中寄生傳導引起的額外損耗至關重要。
英飛凌的Coolsic MOSFET溝槽分立器件系列採用英飛凌獨特的溝槽方法，為其系統設計帶來了許多優勢，包括高可靠性、更高的效率、高開關頻率和高功率密度、降低系統複雜性和總系統成本。
英飛凌於 2016 年推出了第一代 CoolSiC 系列 SiC MOSFET，並於 2022 年更新了第二代產品，與第一代相比，載流能力提高了 25% 至 30%。
在產能方面，英飛凌目前主要通過其獨特的“冷切削”技術來減少鑄錠切割過程中的材料浪費，未來在同一鑄錠中可以獲得兩倍的碳化矽襯底，以提高產能。 另一方面，英飛凌去年宣布投資超過20億歐元，擴建其在馬來西亞的碳化矽晶圓廠。
意法半導體（STMicroelectronics）：挖掘飛機的潛力並布置戰壕
據YOLE統計，全球碳化矽功率器件市場占有率最高的廠商是意法半導體（ST），而與特斯拉的合作，意法半導體的SiC MOSFET產品也是首款在電動汽車上大規模使用的，自Model3車型開始，特斯拉就一直在大規模使用意法半導體的碳化矽模組。
在晶元設計方面，意法半導體持續發掘平面設計SiC MOSFET的技術潛力，並於2024年推出第四代平面柵極SiC MOSFET。 與上一代產品相比，第四代平面柵極碳化矽的效能有所提高，導通電阻降低了15%，工作頻率提高了一倍，達到1MHz。
此前計畫的溝槽柵極產品將是意法半導體的第五代SiC MOSFET，該產品應該處於研發階段，預計將於2024年量產。
意法半導體的SiC MOSFET路線圖。
資料來源：ST）。
與平面SiC MOSFET相比，溝槽SIC MOSFET具有更小的導通電阻、更低的寄生電容和更強的開關效能。
在產能方面，意法半導體此前計畫在2022財年投資21億美元擴大產能，包括擴建原有的6英吋碳化矽晶圓廠和將於2024年投產的新加坡6英吋碳化矽晶圓廠。 與此同時，意法半導體於2024年收購的瑞典碳化矽襯底製造商Norstel也已開始測試8英吋碳化矽材料，預計將於2024年左右應用於新加坡的8英吋生產線。
安森美半導體：溝槽產品即將到來
2024年第三季度，隨著收購基板製造商GTAT的批准，安森美構建了從碳化矽錠、襯底、器件生產到模組封裝的垂直整合模式。
雖然其中一些專案的技術實力還遠遠落後於各領域的龍頭企業，但整體實力更加均衡：與基板龍頭Wolfspeed相比，安森美的元件封測和量產經驗略勝一籌; 與英飛凌相比，英飛凌擁有出色的器件設計能力，安森美增加了GTAT碳化矽材料。
從產品結構來看，安森美第一代碳化矽MOSFET技術（M1）採用扁平化設計，耐壓額定值為1200V。 後來，推導了900V和750V的耐壓規格，並將微觀結構改為HEX電池設計，並將兩者疊加，使SiC MOSFET的導通電阻降低了約35%。 安森美的大多數碳化矽產品都基於M1及其衍生的M2平台。
最新一代的碳化矽技術（M3）仍然使用平面技術，但已改為受專利保護的帶狀電池設計，與上一代衍生物相比，導通效能提高了16%。 這一代產品將逐步成為公司主要的汽車碳化矽平台，在電壓規格上覆蓋電動汽車主流的400V和800V平台。
據了解，安森美的下一代技術平台M4將從平面結構公升級為溝槽結構。 與原來的SiC技術相比，SiC MOSFET的溝槽結構可以在相同的載流能力下大幅減少晶元面積。 此外，M4平台將在8英吋晶圓上生產，預計M4的成本將大大低於以前。
事實上，安森美多年來一直在研究溝槽澆口，並且許多樣品都在內部進行測試，它認為唯一的問題是過早推出溝槽澆口產品在可靠性方面存在一定的風險。 因此，安森美正在優化溝槽電網的可靠性並提高利用率。
同時，在提高可靠性方面，安森美也在對溝槽門進行徹底的調查，在標準測試的基礎上增加一些被認為有風險的測試點，並試圖澄清風險。
此外，從包裝的角度來看，安森美提供多種不同的封裝選擇，還將推出設計強大的下一代封裝，通過不斷迭代包裝，可以適應不同的需求。
三菱電機：獨特的電場限制結構
2024年，三菱電機還開發了溝槽式SiC MOSFET，為了解決溝槽式柵極絕緣膜在高壓下斷裂的問題，三菱電機在結構設計階段基於先進的模擬，開發了一種獨特的電場限制結構，將施加在柵極絕緣膜上的電場降低到常規的平面水平， 使柵極絕緣膜在高壓下獲得更高的可靠性。
三菱電機新型溝槽式SiC MOSFET結構示意圖。
資料來源：三菱電機）。
三菱電機通過獨特的電場約束結構確保裝置的可靠性，該結構通過注入鋁和氮來改變半導體層的電效能來保護柵極絕緣膜。
具體來說，就是沿垂直溝槽方向注入鋁，在溝槽底部形成電場限制層，然後通過其新技術斜注入鋁，形成連線電場限制層和源極的側接地，傾斜注入氮氣，然後在區域性形成更容易導電的高濃度摻雜層。 電場限制層將施加在柵極絕緣膜上的電場降低到傳統平面結構的水平，保證了耐壓，提高了器件的可靠性。 電場限制層與電源側接地，實現高速開關操作，降低開關損耗。
與平面結構相比，溝槽器件的電池間距更小，因此功率器件可以布置更多的電池。 電池的高密度排列增加了電流的流動量，但如果柵極之間的間距太小，路徑會變窄，電流流動困難。 氮氣被傾斜注入，形成乙個高度濃縮的摻雜層，更容易在區域性導電，使電流路徑中的電流變得容易傳輸，從而降低電流路徑的電阻。 與未使用的高濃度層相比，電阻率降低了約25%。
Wolfspeed：平面柵極SiC MOSFET的優勢尚未耗盡
作為一家在碳化矽行業擁有 30 多年經驗的公司，Wolfspeed 及其前身 Cree 於 1991 年推出了第乙個量產碳化矽襯底。 Wolfspeed 的碳化矽襯底效能和質量非常強大，以至於 STMicroelectronics、Infineon 和 ON 等競爭對手不得不為此花費數億美元。 因此，Wolfspeed 的碳化矽產品獲得了關鍵的先發優勢，並成為整個碳化矽行業的風向標。
在設計方面，Wolfspeed 的 SiC MOSFET 採用平面設計，涵蓋 650V 至 1200V 之間的多種電壓規格。 與前兩代相比，Gen3平面MOSFET採用六邊形單體電池微設計，導通電阻比上一代帶狀電池低16%。
Wolfspeed Gen3 SiC MOSFET 採用 HEX Cell 的平面技術 （**Wolfspeed）。
據了解，Wolfspeed的下一代產品將是溝槽柵極設計，Gen4溝槽柵極MOSFET仍在開發中，具體量產時間尚未透露。
雖然溝槽結構也在布局中，但從一開始就致力於碳化矽二極體和MOSFET開發的Wolfspeed認為，平面柵極SiC MOSFET的技術優勢遠未耗盡。
Wolfspeed的聯合創始人John Palmour曾經說過：“因為溝槽MOSFET具有更好的導通電阻，所以這是乙個關鍵的效能指標。 只要我們在導通電阻方面遠遠領先於溝槽式SiC MOSFET，我認為沒有理由改變這一點，我們將繼續改進平面SiC MOSFET。 客戶不應該在意它是平面MOSFET還是溝槽MOSFET，重要的是特定的導通電阻。 事實上，我們並不在乎我們擁有哪條技術路線，我們只關注哪種設計會給客戶帶來最大的利益。 ”
總之，在平面結構上還有深挖的空間，可靠性也有市場。
富士電機：全碳化矽溝槽MOSFET
早在2024年，富士電機就開發了用於所有SiC模組的1200V SiC溝槽MOSFET，實現了35m cm2 的低比電阻，閾值電壓為 5V，同時作為開閉電流的“通道”保持高可靠性。
因此，與傳統的平面結構相比，電阻率降低了50%以上。 此外，富士電機還開發了一種高電流密度專用SiC模組，該模組具有獨特的引腳連線結構，充分利用了SiC器件的優勢。 富士電機使用該裝置實現了ALL-SIC模組。
日本住友：V型凹槽
2024年，住友商事開發了具有厚底氧化層的V型溝槽SiC MOSFET器件樣品，進一步提高了器件的柵氧可靠性和閾值穩定性。
住友電工SiC VMOSFET的橫截面圖。
資料來源：住友電工）。
住友電工開發了一種使用獨特晶體平面的新型V型槽溝槽MOSFET。 V-MOSFET在惡劣環境下具有高效率、高阻斷電壓、高穩定性等優異特性，可實現大電流（單片200A），適用於EV和HEV。 此外，住友電工還與日本工業技術綜合研究所合作，開發具有全球最低導通電阻的下一代V-MOSFET。
電裝：U型凹槽
2024年3月，電裝宣布開發出首款使用SiC半導體的逆變器。
其中，電裝獨特的溝槽式MOS結構利用其專利的電場緩解技術和溝槽柵極半導體器件，降低了發熱引起的功率損耗，提高了每個晶元的輸出，獨特的結構實現了高電壓和低導通電阻的執行。
電裝的溝槽門結構（出處：電裝）。
根據一些資料，電裝與住友的凹槽結構相似，但已改為U形凹槽。
資料來源：松歌動力。
Qorvo：高密度溝槽式 SiC JFET 結構
Qorvo 的 SiC 技術基於 2021 年收購 UnitedSiC，現在 SiC 是 Qorvo 未來發展的重中之重。
據了解，與傳統的SiC MOSFET設計不同，Qorvo採用了一種新的方法，其SiC MOSFET採用高密度溝槽SiC JFET結構，SiC MOSFET中的溝道電阻R溝被SIC FET中低壓矽MOSFET的電阻所取代，後者具有更好的倒置層電子遷移率， 實現單位面積的超低導通電阻，因此損耗也更低。該結構與低壓SI MOSFET共封裝，SIC FET的晶元面積也相對較小。
SiC MOSFET（左）和 Qorvo 的 SiC FET（右）架構的比較（來源：Qorvo）。
Qorvo 擴充套件了其 1200V 產品組合，將其突破性的 SIC FET 技術應用於 23M 至 70M 的更高電壓應用，包括 800V EV 車載充電器 （OBC） 和直流轉換器等應用。
瑞薩電子：兩級溝槽MOSFET型號
據了解，瑞薩電子剛剛在2024年申請了專利，準備研究碳化矽溝槽結構，簡稱"週期性連線，變化兩級溝槽MOSFET”。
資料來源：碳化矽晶元研究筆記。
寫在最後。 綜上所述，提高SiC MOSFET效能的幾個重要指標，包括更小的電池間距、更低的比導通電阻、更低的開關損耗和更好的柵極氧保護，幾乎都指向溝槽柵結構。
從整個行業來看，目前溝槽式SIC MOSFET的量產主要由歐美、日本等國際SIC廠商進行。 從國際廠商的布局來看，溝槽柵極SiC MOSFET將是未來更具競爭力的解決方案。
自2024年推出首款量產溝槽柵極SiC MOSFET產品以來，已經過去了近9年，很多企業都在開發溝槽柵極產品，但市場上能夠推出量產產品的廠商並不多。
當然，高效能溝槽柵極SiC MOSFET的設計和製造也是國產SiC功率器件發展的重中之重，一些企業已將研究重點轉移到溝槽柵極SiC MOSFET上。 不過，需要注意的是，國際碳化矽巨頭在碳化矽MOSFET領域已經涉足多年，積累了大量的專利。 凹槽結構的高專利壁壘也是國內廠商需要克服的障礙。
據《碳化矽晶元研究筆記》作者介紹：“溝槽式碳化矽MOSFET的全套技術和結構IP是未來十年碳化矽競爭的門票！ “在當前整體碳化矽市場持續快速增長的時期，有必要提前布局合適的技術路線，才有機會在未來的新應用市場中佔據領先地位。
參考資料： 1] 2023 年溝槽年總結 – 13 家 SiC 公司的溝槽 MOSFET 開發路線圖
2]平型還是溝槽型，誰在行業內有發言權？碳化矽（SiC） MOSFET的未來。
3]西線沒有戰爭，碳化矽五的煙霧。
大國的科學技術都在