電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（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關(guān)性能的M3S工藝平臺（M3平臺還有另一個分支M3T，主要針對逆變器應(yīng)用）。M3系列工藝平臺延續(xù)了過去幾代產(chǎn)品上使用的平面型結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)了顯著的技術(shù)指標提升。

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，與此同時結(jié)合薄晶圓技術(shù)，進一步將管芯體積減小25%。另外安森美M4工藝平臺將采用100%溝槽利用率設(shè)計，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

在早期的SiC MOSFET設(shè)計中，平面型結(jié)構(gòu)是最普遍的，由于結(jié)構(gòu)較為簡單，工藝相對成熟穩(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的基本重復單元。每個元胞都是一個獨立的、功能完整的MOSFET，但為了達到更高的電流承載能力和更好的熱分布，實際應(yīng)用中的MOSFET通常是由大量這樣的元胞并聯(lián)組成的，一般一個元胞包括源極、柵極、漏極以及導電的溝道等結(jié)構(gòu)。

平面型MOSFET中，柵極電極和源極電極在同一水平面上，每個元胞是獨立并排列成陣列，工藝相對簡單，容易實現(xiàn)較好的柵氧化層質(zhì)量，有較強的抗電壓沖擊能力，實際應(yīng)用中可靠性更高，在過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)實現(xiàn)多年大規(guī)模應(yīng)用，可靠性得到驗證，平面柵依然具備優(yōu)勢。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)過廣泛的研究和設(shè)計。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，可能會導致界面形成物理上的鋸齒狀區(qū)域，從而可能導致電氣問題。對于許多供應(yīng)商來說，這仍然是一個有待時間、豐富的現(xiàn)場經(jīng)驗和工程驗證才能明確解決的問題。”

不過，從性能上看，對于MOSFET而言，器件的導通能力取決于元胞間距，元胞間距越小、密度越高，導通電阻以及開關(guān)損耗就越低，同時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，于是可以實現(xiàn)更高的電流密度、更低的導通電阻等性能提升。同時元胞間距減小，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都是確定的未來方案。


溝槽型SiC MOSFET已上車，各家進度不一

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的車型，而其中使用的是來自意法半導體的650V SiC MOSFET，車型的暢銷也帶動了意法半導體在車用SiC市場上保持著極高的市場份額。

在意法半導體早年的路線圖上，曾經(jīng)計劃在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。

當然其中原因有平面型SiC MOSFET在過去這些年汽車上的大規(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到一定的水平，性能也足夠當前汽車的應(yīng)用。所以對于很多廠商而言，一方面可能是器件可靠性需要較長驗證周期，或是工藝需要持續(xù)改善；另一方面是市場需求并沒有那么急迫，平面型也依然有一些提升空間。

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

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

小結(jié)：

對于電動汽車大功率、低能耗的發(fā)展趨勢，發(fā)展溝槽型SiC MOSFET是必然的技術(shù)方向。不過在汽車這種安全為先的應(yīng)用中，可靠性依然會是選擇功率器件的最重要指標，所以整體SiC MOSFET從平面轉(zhuǎn)換到溝槽的過程，尤其是在汽車應(yīng)用中，還需要很長一段時間。