首次量產至今8年時間，溝槽柵SiC MOSFET的發展現狀如何？

電子發燒友網報道（文/梁浩斌）SiC MOSFET的發展歷史其實相當長遠，全球SiC產業龍頭Wolfspeed的前身Cree公司，其創始人之一John Palmour在1987年申請了一項涉及在SiC襯底上生成MOS電容器的結構，這項專利后來被視為促成SiC MOSFET誕生的關鍵。

不過，由于襯底良率、制造工藝等問題，直到2011年SiC MOSFET才正式實現商業化，彼時的Cree推出了市場上第一款SiC MOSFET，采用平面柵結構的CMF20120D。到了2015年，羅姆率先實現溝槽柵結構SiC MOSFET的量產，這種結構更能夠發揮SiC材料的特性，工藝更復雜。經過10多年的發展，目前在SiC MOSFET的技術路線上，溝槽柵已經被認為是更有優勢的方向。

平面柵和溝槽柵有哪些區別？

從結構上看，最明顯的特征是，平面結構的SiC MOSFET是指柵極電極和源極電極在同一水平面上，也就是呈現“平面”分布，溝道與襯底平行。平面柵工藝相對簡單，容易實現較好的柵氧化層質量，有較強的抗電壓沖擊能力，實際應用中可靠性更高，在過載工況下也不容易被損壞。

不過相對地，對于MOSFET而言，器件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。但平面柵由于柵極是橫向，所以一定程度上限制了元胞間距的縮小，為了進一步縮小元胞間距，溝槽柵結構取代平面柵就成了目前的功率芯片廠商的產品趨勢。

溝槽柵結構是指柵極電極位于源極電極下方，在半導體材料中形成一個“溝槽”。同時也能從上圖中看到，溝槽柵結構中的溝道和柵極是垂直于襯底的，這也是與平面柵結構的一個顯著區別，正因為這樣的結構，可以讓功率芯片的元胞間距大幅縮小，在性能上展現出比平面柵SiC MOSFET更低的導通電阻、更強的開關性能、更低的導通損耗等。

但溝槽柵也不是完全沒有缺點。結構上溝槽柵SiC MOSFET需要在基板上挖出溝槽，將柵極埋入形成垂直溝道，工藝顯然相比平面柵更復雜，良率、單元一致性都較差。同時，溝槽柵SiC MOSFET中的二氧化硅柵極所承受的電場強度比在硅基IGBT/MOSFET中高很多，因此柵極氧化層的可靠性會存在一些問題。當然，這些問題可以通過改進柵極氧化工藝等方式解決，或是通過不同的結構設計改善柵極底部電場集中的問題。

溝槽柵SiC MOSFET發展現狀

羅姆作為最早量產SiC MOSFET的廠商，在2010年率先量產平面柵SiC MOSFET之后，在2015年的第三代產品上又再一次奪得先機，率先量產雙溝槽結構的第三代產品。正如上文的溝槽柵結構示意圖中一樣，SiC MOSFET一般是單溝槽結構，即只有柵極溝槽；羅姆開發出的雙溝槽MOSFET即同時具有源極溝槽和柵極溝槽。

前文我們也提到，為了充分利用SiC材料的高擊穿能力，需要改善柵極氧化物處電場集中的問題。羅姆在官方介紹中表示，SiC MOSFET通過采用雙溝槽的結構，在測試中可以實現比羅姆第二代平面柵SiC MOSFET降低約50%的導通電阻，同時輸入電容降低35%，提升了開關性能。

羅姆2021年推出最新的第四代SiC MOSFET，進一步改進了雙溝槽結構，成功在改善短路耐受時間的前提下，使導通電阻比第三代產品又降低約40%；同時通過大幅降低柵漏電容，成功地使開關損耗比以第三代產品降低約50%。按照其產品路線圖，預計2025年和2028年推出的第五代和第六代產品的導通電阻將會分別再降低30%。

英飛凌的SiC MOSFET采用了不對稱的半包溝槽結構，與羅姆幾乎是目前業界唯二量產上車的SiC MOSFET溝槽設計。這種不對稱的半包溝槽結構能夠在獨特的晶面上形成溝道，并可以使用較厚的柵極氧化層，實現很低的導通電阻，并提高了可靠性。英飛凌在2016年推出了第一代CoolSiC系列SiC MOSFET，并在2022年更新了第二代產品，相比第一代增強了25%-30%的載電流能力。

目前量產溝槽型SiC MOSFET的國際廠商還包括富士、三菱電機、住友電工、日本電裝等，還有更多比如ST、博世、安森美等廠商，都有相關布局，ST計劃在2025年推出其首款溝槽型SiC MOSFET產品。從國際廠商的布局來看，溝槽柵SiC MOSFET會是未來更具競爭力的方案。

國內方面，安海半導體、芯塔電子、芯長征科技、中車時代等都已經有相關的專利技術等布局，目前溝槽柵SiC MOSFET的專利競爭較大，特別是日系廠商比如電裝、羅姆、富士電機等較為強勢。國內廠商入局相對較晚，但相對布局較前的廠商可能會擁有更大的發揮空間。


小結：

總而言之，提高SiC MOSFET性能的幾個重要指標，包括更小的元胞間距、更低的導通電阻、更低的開關損耗、更高的可靠性（柵極氧化保護），幾乎都指向了溝槽柵結構。從2015年第一款量產溝槽柵SiC MOSFET產品推出到現在過去了8年時間，但市面上能夠推出量產產品的廠商并不算多，在目前整體SiC市場持續高速增長的時期，提前布局合適的技術路線，才有機會在未來新的應用市場上占得先機。