隨著電動(dòng)汽車動(dòng)力總成和能源基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)碳化硅(SiC)功率器件需求的增加，加速了市場(chǎng)的增長(zhǎng)。在這一過程中，終端用戶需求不斷提高以及日益增大的盈利壓力促使各企業(yè)在其電力電子應(yīng)用中考慮采用SiC溝槽技術(shù)(Trench)MOSFET，部分原因是基于傳統(tǒng)硅功率器件的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為溝槽技術(shù)是實(shí)現(xiàn)最優(yōu)功率密度的唯一途徑。然而，在決定溝槽技術(shù)是否為當(dāng)前合適選擇之前，至關(guān)重要的是要考慮下一代SiCMOSFET技術(shù)的進(jìn)步，這些技術(shù)很可能會(huì)帶來好處，同時(shí)避免其固有風(fēng)險(xiǎn)。

在電力電子應(yīng)用中，平面技術(shù)(Planar)和溝槽技術(shù)(Trench)的關(guān)鍵差異

在電力電子應(yīng)用中，功率密度固然重要，但可靠性也同樣至關(guān)重要，甚至在某些應(yīng)用中可能更為關(guān)鍵。盡管工程師通常專注于性能局限性問題，但可能導(dǎo)致計(jì)劃外停機(jī)或維修的實(shí)際故障則較難接受，因?yàn)樗鼈兛赡軙?huì)對(duì)業(yè)務(wù)產(chǎn)生不可預(yù)見的重大影響。因此，溝槽技術(shù)的潛力需要進(jìn)行更全面的評(píng)估。雖然溝槽技術(shù)有望成為電力電子工程工具箱的標(biāo)準(zhǔn)配置，事實(shí)上也已經(jīng)被采納使用，但采用這種技術(shù)的人對(duì)其提供可靠性能的能力還抱有相當(dāng)多的"大膽一試"的想法。

在半導(dǎo)體生產(chǎn)的典型研發(fā)過程中，實(shí)現(xiàn)工藝的全面優(yōu)化需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。故障可能來自意想不到的原因，而且可能要等到大量器件在現(xiàn)場(chǎng)部署數(shù)月乃至數(shù)年后才會(huì)顯現(xiàn)出來。溝槽技術(shù)正在開辟新的道路，而基于相對(duì)有限的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，供應(yīng)商對(duì)可靠性的預(yù)測(cè)往往無法得到充分的驗(yàn)證。

相比之下，眾多供應(yīng)商在平面技術(shù)方面積累了數(shù)十年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，為其性能和耐用性提供了有據(jù)可查的廣泛依據(jù)。換句話說，在當(dāng)前發(fā)展階段，溝槽技術(shù)相較于其他方案仍然具有更大的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1.M3e性能延長(zhǎng)了碳化硅平面MOSFET的壽命

溝槽技術(shù)供應(yīng)商正在努力尋找既能提高管芯(unitcell)密度，又能保持高可靠性的設(shè)計(jì)。

溝槽技術(shù)的基本問題之一(如上圖左側(cè)所示)是溝槽底部的強(qiáng)氧化物電場(chǎng)。當(dāng)MOSFET阻斷高壓時(shí)，該電場(chǎng)會(huì)從相鄰的強(qiáng)電場(chǎng)SiC放大。此外，溝槽底部拐角處的氧化物變薄和場(chǎng)擁擠效應(yīng)也加劇了這一現(xiàn)象。這不是一個(gè)孤立的問題，而是業(yè)界一直面臨的挑戰(zhàn)。

一個(gè)解決方案的例子如中間圖片所示，該圖例展示了A公司的第三代溝槽技術(shù)。A公司通過在柵極溝槽兩側(cè)增加源極溝槽，并將保護(hù)性的p層下沉至SiCn-drift層內(nèi)，從而解決了氧化物的難題。這些額外的源極溝槽使得管芯間距增大，實(shí)質(zhì)上犧牲了溝槽的優(yōu)勢(shì)，因此在給定面積下，其原始性能相較于最佳的平面MOSFET而言略遜一籌。溝槽電流利用率是評(píng)估SiC溝槽MOSFET性能的重要因素。

B公司的M1產(chǎn)品和A公司的第四代技術(shù)將溝槽利用率提高到50%，這代表了商業(yè)應(yīng)用的SiC溝槽技術(shù)的最新水平，并逐漸接近最好的平面SiCMOSFET的性能。為了使SiC溝槽MOSFET性能超越平面結(jié)構(gòu)，溝槽電流利用率必須達(dá)到100%。

當(dāng)前平面技術(shù)(Planar)的優(yōu)勢(shì)

安森美(onsemi)如何打破維度勢(shì)壘，將成熟的平面技術(shù)提升到一個(gè)新的水平?

安森美在將溝槽技術(shù)作為自己 "路線圖"上的一條重要技術(shù)路線的同時(shí)，還采取了兩條并行的策略來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。一方面，安森美致力于攻克溝槽技術(shù)面臨的各項(xiàng)技術(shù)難題;另一方面，通過在非常成熟的平面技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行深化研發(fā)，不斷提升性能，以實(shí)現(xiàn)與溝槽技術(shù)相當(dāng)?shù)男阅堋?/p>

平面器件建立在安森美公司和整個(gè)行業(yè)數(shù)十年的全球制造經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上。這意味著平面器件比其他替代方案具有更高的性能、穩(wěn)定性和可靠性。整個(gè)平面供應(yīng)鏈經(jīng)過不斷優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最佳效果。溝槽技術(shù)很可能最終達(dá)到這一水平，但目前相對(duì)較新，在實(shí)際應(yīng)用中的長(zhǎng)期部署案例還很有限。

圖2.1200 V EliteSiC M3e用于主驅(qū)逆變器中實(shí)現(xiàn)行業(yè)領(lǐng)先的低損耗

另一個(gè)需要考慮的因素是從硅襯底到SiC的過渡。大多數(shù)客戶都是第一次使用SiC，可能沒有意識(shí)到這種材料的可靠性風(fēng)險(xiǎn)更大。在硅襯底平面MOSFET中，氧化物與硅結(jié)合在一起，這種界面已經(jīng)過廣泛的研究和設(shè)計(jì)。在平面SiC中，頂部硅層發(fā)生氧化的情況與硅襯底有一定程度的相似性。而對(duì)于溝槽SiC，碳在氧化過程中起著不可忽視的作用--這是一種不同的、更具挑戰(zhàn)性的情況，可能會(huì)導(dǎo)致界面形成物理上的鋸齒狀區(qū)域，從而可能導(dǎo)致電氣問題。對(duì)于許多供應(yīng)商來說，這仍然是一個(gè)有待時(shí)間、豐富的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和工程驗(yàn)證才能明確解決的問題。

正在采用平面技術(shù)制造，計(jì)劃向溝槽技術(shù)過渡

除了對(duì)溝槽技術(shù)可靠性的關(guān)注之外，對(duì)于安森美來說，無論是從系統(tǒng)級(jí)的每安培成本還是每千瓦成本的角度來看，平面器件都具有成本優(yōu)勢(shì)。

安森美EliteSiCMOSFET 在溝槽技術(shù)上的路線圖始于M1/M2平面技術(shù)、方形/六邊形管芯器件。隨后推出的M3T和M3S平面技術(shù)、條紋管芯、薄晶圓技術(shù)顯著降低了管芯尺寸。不久前，安森美推出了1200V M3e，采用了業(yè)界領(lǐng)先的薄晶圓平面技術(shù)，進(jìn)一步適度減小了管芯體積。

圖3：安森美1200V M3e MOSFET

第三代M3e標(biāo)志著平面技術(shù)的終極發(fā)展，其管芯間距與M1相比減少了超過60%。它建立在平面結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，這種結(jié)構(gòu)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已具有高度的可制造性和更長(zhǎng)的使用壽命。SiC平面MOSFET在現(xiàn)場(chǎng)已累計(jì)使用數(shù)萬億小時(shí)，具有極低的故障率。針對(duì)SiC材料的弱點(diǎn)，通過100%缺陷篩選和加速電氣測(cè)試進(jìn)行了有效應(yīng)對(duì)。特別是在柵極氧化層方面給予了特別關(guān)注，因?yàn)樗鼈冊(cè)趯?dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)下都會(huì)承受高電場(chǎng)應(yīng)力。

圖4.M3e提供更高功率及經(jīng)過驗(yàn)證的高品質(zhì)

除了初始性能外，安森美M3e還通過足夠高的閾值電壓和極低的臨界導(dǎo)通電阻(CRSS)實(shí)現(xiàn)了柵極電路的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，可避免在VGS,OFF=0V時(shí)的直通現(xiàn)象。這一特性使得M3e對(duì)寄生導(dǎo)通具有更強(qiáng)的抗干擾能力。用戶因此能夠受益于在柵極驅(qū)動(dòng)電路中使用單電壓軌(singlevoltage rail)這一可行方案。

安森美下一代M4S和M4T產(chǎn)品將采用先進(jìn)的溝槽設(shè)計(jì)、薄晶圓技術(shù)，并進(jìn)一步將管芯體積減小25%，從而提供業(yè)界領(lǐng)先的溝槽技術(shù)。最重要的是，第四代MOSFET將采用100%溝槽利用率設(shè)計(jì)，以提供真正有別于傳統(tǒng)平面器件的性能。

結(jié)論

現(xiàn)實(shí)情況表明，電力電子應(yīng)用領(lǐng)域仍在充分利用現(xiàn)有的最佳技術(shù)方案：平面技術(shù)。在溝槽技術(shù)不斷進(jìn)步并趨于成熟的同時(shí)，安森美正在對(duì)平面技術(shù)進(jìn)行完善，并為溝槽技術(shù)規(guī)劃了發(fā)展藍(lán)圖，旨在引導(dǎo)其在未來實(shí)現(xiàn)成功部署與應(yīng)用(圖5)。

圖5.安森美SiC路線圖