電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）2024年上半年，安森美發(fā)布了第二代1200V SiC MOSFET產(chǎn)品，在這款產(chǎn)品上采用了最新的面向高開(kāi)關(guān)性能的M3S工藝平臺(tái)（M3平臺(tái)還有另一個(gè)分支M3T，主要針對(duì)逆變器應(yīng)用）。M3系列工藝平臺(tái)延續(xù)了過(guò)去幾代產(chǎn)品上使用的平面型結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了顯著的技術(shù)指標(biāo)提升。

圖源：安森美

SiC MOSFET采用溝槽型結(jié)構(gòu)能夠突破平面結(jié)構(gòu)的限制，進(jìn)一步提高功率器件的功率密度，這在硅基MOSFET上已經(jīng)被廣泛驗(yàn)證。安森美最近在官微上也正式宣布，下一代M4S和M4T產(chǎn)品將采用溝槽設(shè)計(jì)，與此同時(shí)結(jié)合薄晶圓技術(shù)，進(jìn)一步將管芯體積減小25%。另外安森美M4工藝平臺(tái)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。

溝槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

在早期的SiC MOSFET設(shè)計(jì)中，平面型結(jié)構(gòu)是最普遍的，由于結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，工藝相對(duì)成熟穩(wěn)定，所以最先被大規(guī)模應(yīng)用。

在MOSFET中元胞（Cell）是指構(gòu)成MOSFET的基本重復(fù)單元。每個(gè)元胞都是一個(gè)獨(dú)立的、功能完整的MOSFET，但為了達(dá)到更高的電流承載能力和更好的熱分布，實(shí)際應(yīng)用中的MOSFET通常是由大量這樣的元胞并聯(lián)組成的，一般一個(gè)元胞包括源極、柵極、漏極以及導(dǎo)電的溝道等結(jié)構(gòu)。

平面型MOSFET中，柵極電極和源極電極在同一水平面上，每個(gè)元胞是獨(dú)立并排列成陣列，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)較好的柵氧化層質(zhì)量，有較強(qiáng)的抗電壓沖擊能力，實(shí)際應(yīng)用中可靠性更高，在過(guò)載工況下也不容易被損壞。

由于技術(shù)成熟，并且在SiC MOSFET上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)多年大規(guī)模應(yīng)用，可靠性得到驗(yàn)證，平面柵依然具備優(yōu)勢(shì)。安森美也在其文章中提到，“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(guò)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。此外對(duì)于溝槽SiC，碳在氧化過(guò)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(wèn)題。對(duì)于許多供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，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(wèn)題。”

不過(guò)，從性能上看，對(duì)于MOSFET而言，器件的導(dǎo)通能力取決于元胞間距，元胞間距越小、密度越高，導(dǎo)通電阻以及開(kāi)關(guān)損耗就越低，同時(shí)還能提高器件的耐壓能力，降低器件尺寸，提升功率密度。

但平面型器件由于柵極是橫向，所以一定程度上限制了元胞間距的縮小。而溝槽型結(jié)構(gòu)的元胞通過(guò)深溝槽蝕刻到SiC晶圓中，從而使得柵極位于溝槽的側(cè)壁上，減小了元胞間距，于是可以實(shí)現(xiàn)更高的電流密度、更低的導(dǎo)通電阻等性能提升。同時(shí)元胞間距減小，最顯著的變化就是同樣的晶圓面積下能夠容納更多元胞，也就可以在同樣的規(guī)格下減小芯片尺寸。

所以在各家的產(chǎn)品路線圖上，溝槽型SiC MOSFET都是確定的未來(lái)方案。


溝槽型SiC MOSFET已上車(chē)，各家進(jìn)度不一

目前，市面上已經(jīng)量產(chǎn)并大規(guī)模應(yīng)用溝槽型SiC MOSFET的只有兩家，英飛凌和羅姆，而目前兩家廠商的SiC MOSFET已經(jīng)在一些車(chē)型上使用，比如英飛凌供貨小鵬、羅姆供貨吉利系等。

特斯拉在2018年首次推出搭載SiC MOSFET的車(chē)型，而其中使用的是來(lái)自意法半導(dǎo)體的650V SiC MOSFET，車(chē)型的暢銷(xiāo)也帶動(dòng)了意法半導(dǎo)體在車(chē)用SiC市場(chǎng)上保持著極高的市場(chǎng)份額。

在意法半導(dǎo)體早年的路線圖上，曾經(jīng)計(jì)劃在2022年推出溝槽型SiC MOSFET產(chǎn)品，但直到今年的路線圖上，溝槽型SiC MOSFET產(chǎn)品已經(jīng)被推遲到2025年。

當(dāng)然其中原因有平面型SiC MOSFET在過(guò)去這些年汽車(chē)上的大規(guī)模應(yīng)用中，已經(jīng)逐漸完善工藝，工藝一致性和器件可靠性達(dá)到一定的水平，性能也足夠當(dāng)前汽車(chē)的應(yīng)用。所以對(duì)于很多廠商而言，一方面可能是器件可靠性需要較長(zhǎng)驗(yàn)證周期，或是工藝需要持續(xù)改善；另一方面是市場(chǎng)需求并沒(méi)有那么急迫，平面型也依然有一些提升空間。

而海外功率半導(dǎo)體廠商，Wolfspeed、三菱、富士、電裝，以及剛被安森美從Qorvo手上收購(gòu)的UnitedSiC等，都已經(jīng)積極布局了溝槽型SiC MOSFET，申請(qǐng)了多項(xiàng)專(zhuān)利，并部分已經(jīng)推出了樣品。

而國(guó)內(nèi)功率SiC廠商，目前量產(chǎn)產(chǎn)品主要還是平面型，不過(guò)都在積極布局溝槽型，包括布局專(zhuān)利、工藝等，比如三安此前表示溝槽型SiC MOSFET產(chǎn)品將會(huì)在2025年一季度推出，在中車(chē)的官網(wǎng)中，最新的產(chǎn)品介紹頁(yè)面也已經(jīng)顯示SiC MOSFET產(chǎn)品采用第四代溝槽柵技術(shù)。另外揚(yáng)杰科技、華羿微電、矽普半導(dǎo)體等多家廠商都有溝槽型SiC MOSFET的專(zhuān)利布局。

小結(jié)：

對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)大功率、低能耗的發(fā)展趨勢(shì)，發(fā)展溝槽型SiC MOSFET是必然的技術(shù)方向。不過(guò)在汽車(chē)這種安全為先的應(yīng)用中，可靠性依然會(huì)是選擇功率器件的最重要指標(biāo)，所以整體SiC MOSFET從平面轉(zhuǎn)換到溝槽的過(guò)程，尤其是在汽車(chē)應(yīng)用中，還需要很長(zhǎng)一段時(shí)間。