自1991年第一批碳化硅晶圓發(fā)布后，碳化硅的進(jìn)展相當(dāng)緩慢，20年后才推出第一個(gè)全碳化硅商用 MOSFET。到2018年，特斯拉才在其400V逆變器中將這種新型器件推到了應(yīng)用前沿。特斯拉的減少碳化硅用量實(shí)際上可能指的是碳化硅面積，也就是用碳化硅器件發(fā)展過程中的溝槽型技術(shù)路線替代平面型器件。
從平面到溝槽結(jié)構(gòu)的演變的確可以節(jié)省碳化硅面積。特斯拉說(shuō)的削減75%碳化硅應(yīng)該被認(rèn)為是采用溝槽結(jié)構(gòu)。雖然業(yè)內(nèi)一致認(rèn)為溝槽型是發(fā)展方向，但也有觀點(diǎn)認(rèn)為，目前溝槽型在牽引電機(jī)領(lǐng)域的性能不如平面型。
碳化硅MOSFET結(jié)構(gòu)的演變
根據(jù)Yole SystemPlus對(duì)十余款量產(chǎn)的1200V碳化硅晶體管的橫截面比較，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)玩家都是采用平面工藝，如安森美、Wolfspeed、Microsemi（現(xiàn)為Microchip）等，只有羅姆和英飛凌兩家選擇了溝槽型。意法半導(dǎo)體（ST）、三菱電機(jī)和Wolfspeed等其他市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者也在研發(fā)溝槽工藝，但迄今為止尚未量產(chǎn)。
本文將介紹溝槽型與平面型碳化硅器件各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，分享廠商的一些觀點(diǎn)以及近年來(lái)的相關(guān)進(jìn)展。
尺有所短，寸有所長(zhǎng)
碳化硅MOSFET分為平面結(jié)構(gòu)和溝槽結(jié)構(gòu)。平面結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、元胞一致性較好、雪崩能量比較高；缺點(diǎn)是當(dāng)電流被限制在靠近P體區(qū)域的狹窄N區(qū)中，流過時(shí)會(huì)產(chǎn)生JFET效應(yīng)，增加通態(tài)電阻，且寄生電容較大。
溝槽型結(jié)構(gòu)是將柵極埋入基體中，形成垂直溝道，特點(diǎn)是可以增加元胞密度，沒有JFET效應(yīng)，溝道晶面可實(shí)現(xiàn)最佳的溝道遷移率，導(dǎo)通電阻比平面結(jié)構(gòu)明顯降低；缺點(diǎn)是由于要開溝槽，工藝更加復(fù)雜，且元胞的一致性較差，雪崩能量比較低。盡管如此，在功率較大的器件中，溝槽型碳化硅襯底可以提高器件的功率密度和散熱能力，從而提高器件的性能和可靠性。
平面型與溝槽型碳化硅MOSFET技術(shù)
至于哪種結(jié)構(gòu)更好，應(yīng)取決于應(yīng)用需求和器件規(guī)格。因此，通常對(duì)于功率較小的器件，平面型碳化硅襯底可能已經(jīng)能夠滿足要求；而對(duì)于功率較大的器件，溝槽型碳化硅襯底可能是更好的選擇。
由于溝槽型碳化硅MOSFET專利壁壘較高，目前可量產(chǎn)的溝槽結(jié)構(gòu)碳化硅MOSFET并不多。為了更好地保護(hù)溝槽型MOSFET的柵極氧化層，特別是底部和溝槽角落，獲得更好的抗浪涌和短路耐受能力，羅姆采用在柵極溝槽兩側(cè)構(gòu)造源極雙溝槽結(jié)構(gòu)來(lái)屏蔽中間的柵極溝槽底部；英飛凌則采用P+半包非對(duì)稱溝槽結(jié)構(gòu)。此外，日本住友采用的是Ⅴ型溝槽結(jié)構(gòu)雙掩埋結(jié)構(gòu)。
溝槽結(jié)構(gòu)碳化硅MOSFET
量產(chǎn)溝槽碳化硅廠商的做法
量產(chǎn)碳化硅溝槽結(jié)構(gòu)的廠商認(rèn)為，相比平面型結(jié)構(gòu)，溝槽型碳化硅MOSFET在成本和性能方面都具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。
羅姆是率先轉(zhuǎn)向溝槽MOSFET的公司，而英飛凌并沒有選擇進(jìn)入平面結(jié)構(gòu)市場(chǎng)，而是直接選擇了溝槽結(jié)構(gòu)。電裝的溝槽型碳化硅MOSFET也已正式商用。
Yole SystemPlus指出，幾個(gè)領(lǐng)先玩家在碳化硅晶體管方面的設(shè)計(jì)策略表明，通過從平面工藝（第二代）切換到溝槽工藝（第三代），羅姆在4年內(nèi)就將FoM（優(yōu)值系數(shù)，Rdson×Qg）和間距尺寸減小了50%。下一代采用更先進(jìn)的溝槽工藝可進(jìn)一步改善這些指標(biāo)。
作為最早將溝槽柵技術(shù)用于晶體管的廠商，羅姆2015年的第三代碳化硅產(chǎn)品量產(chǎn)雙溝槽結(jié)構(gòu)碳化硅MOSFET，在改善短路耐受時(shí)間（SCWT，因短路而失效所需的時(shí)間）的同時(shí)，使導(dǎo)通電阻比以往產(chǎn)品降低約40%，實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最低。之后不斷迭代，2018年羅姆推出先進(jìn)的車規(guī)級(jí)溝槽型碳化硅MOSFET。
羅姆認(rèn)為，相比平面型，溝槽型碳化硅MOSFET在成本和性能上都具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。以其第三代碳化硅MOSFET（第一代溝槽型碳化硅MOSFET）為例，其芯片面積僅為其第二代平面型的75%，同樣芯片尺寸導(dǎo)通電阻降低了50%，而羅姆第二代溝槽型碳化硅MOSFET比第一代溝槽型產(chǎn)品導(dǎo)通電阻又降低了40%。
2020年羅姆開發(fā)出第四代溝槽結(jié)構(gòu)MOSFFT，通過進(jìn)一步改進(jìn)自創(chuàng)的雙溝槽結(jié)構(gòu)，改善了EV牽引逆變器等應(yīng)用所需的短路耐受時(shí)間，與第三代相比，在不犧牲短路耐受時(shí)間的情況下將導(dǎo)通電阻降低約40%，為業(yè)內(nèi)最低。在不斷改進(jìn)導(dǎo)通電阻的過程中，設(shè)計(jì)者將面臨短路耐受時(shí)間更短的權(quán)衡。第四代碳化硅MOSFET不會(huì)犧牲短路耐受時(shí)間，因此能夠以更高的效率、更小的封裝和更高的可靠性實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器和電源設(shè)計(jì)。目前，羅姆在還在開發(fā)第五代溝槽技術(shù)。
溝槽型碳化硅MOSFET的演進(jìn)
英飛凌是溝槽型碳化硅MOSFET技術(shù)的擁躉，其產(chǎn)品定位于高質(zhì)高價(jià)，這與采用的溝槽技術(shù)的先進(jìn)性和成熟度有很大關(guān)系。英飛凌2016年推出第一代CoolSiC系列碳化硅MOSFET，并在2022年更新了第二代產(chǎn)品，相比第一代增強(qiáng)了25%-30%的載流能力，其第三代碳化硅MOSFET采用先進(jìn)的溝槽結(jié)構(gòu)，具有更低的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，提高了能效。
英飛凌認(rèn)為，雖然平面結(jié)構(gòu)碳化硅MOSFET生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，柵極氧化物可靠性更高，但在與性能相關(guān)的單位面積導(dǎo)通電阻和寄生電容，以及成本相關(guān)的單位電流芯片尺寸方面不能與溝槽柵設(shè)計(jì)相比。另外，開關(guān)損耗的降低可以用更小的系統(tǒng)尺寸實(shí)現(xiàn)高頻操作，從而實(shí)現(xiàn)更高的效率和功率密度；溝槽技術(shù)也可以提高柵氧化層的可靠性，雪崩和短路魯棒性也可以改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)可靠性。
不過，這種溝槽型MOSFET更加復(fù)雜，因此制造成本更高。此外，由于采用這種設(shè)計(jì)更難控制柵極氧化物厚度，柵極溝槽中的薄弱區(qū)域可能會(huì)挑戰(zhàn)器件可靠性。
尚在開發(fā)溝槽結(jié)構(gòu)的廠商怎么說(shuō)？
安森美在溝槽柵技術(shù)方面已研究了很多年，目前已積累了大約20份相關(guān)專利。其下一代技術(shù)平臺(tái)M4將升級(jí)為溝槽結(jié)構(gòu)，有望2023年底推出，預(yù)計(jì)2024年會(huì)出樣。安森美電源方案部執(zhí)行副總裁兼總經(jīng)理Simon Keeton最近在北京表示：“溝槽設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的點(diǎn)，可以將過去幾十年硅技術(shù)的領(lǐng)先經(jīng)驗(yàn)沿用到碳化硅中，為碳化硅技術(shù)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。”
安森美中國(guó)區(qū)汽車市場(chǎng)技術(shù)應(yīng)用負(fù)責(zé)人、碳化硅首席專家吳桐博士表示，在柵極結(jié)構(gòu)方面，安森美量產(chǎn)的第三代碳化硅器件還是采用平面柵結(jié)構(gòu)，因?yàn)橛泻芏嘟Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)know-how，例如受專利保護(hù)的Strip Cell，其好處是能用平面柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更低的比電阻，性能能夠和溝槽柵媲美；其制造難度也低很多，可以保證良率和可靠性，產(chǎn)品成本也不會(huì)增加。
他補(bǔ)充說(shuō)：“安森美有很多溝槽型樣品在進(jìn)行內(nèi)部測(cè)試，問題在于，過早地推出溝槽柵產(chǎn)品在可靠性方面會(huì)有一定風(fēng)險(xiǎn)。所以，公司正在對(duì)認(rèn)為有風(fēng)險(xiǎn)的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試和可靠性優(yōu)化，提升溝槽柵的利用率。”
據(jù)東芝電子元件（上海）有限公司分立器件技術(shù)部副總監(jiān)屈興國(guó)介紹，目前東芝的碳化硅仍采用平面工藝，因?yàn)樗诩夹g(shù)上更加穩(wěn)定。“當(dāng)然，也有一些競(jìng)品的溝槽工藝做的比較好，但從具體測(cè)試參數(shù)來(lái)看，還是平面工藝更有優(yōu)勢(shì)。”不過，東芝也在開發(fā)溝槽工藝，目前來(lái)看，東芝的第三代產(chǎn)品、第四代產(chǎn)品仍定位于平面工藝，第四代以后的產(chǎn)品會(huì)考慮溝槽工藝。
他指出：“溝槽的主要問題在于量產(chǎn)的管控，現(xiàn)在碳化硅遇到最大問題還是良率，這種新材料的物理性能和電氣性能都比較難以駕馭。碳化硅的溝槽結(jié)構(gòu)和以前傳統(tǒng)的硅溝槽完全是兩個(gè)概念，還需要時(shí)間進(jìn)行探索。”
三菱電機(jī)功率器件制作所首席技術(shù)顧問Gourab Majumdar博士在上海接受采訪時(shí)表示，碳化硅路線將來(lái)要用到兩個(gè)新技術(shù)，在1200V以下是溝槽柵碳化硅MOSFET，3.3kV以上將采用把肖特基二極管（SBD）集成在MOSFET中的平面柵碳化硅MOSFET技術(shù)。
他解釋道，三菱電機(jī)的新型溝槽柵采用三個(gè)自研技術(shù)：一是傾斜離子注入技術(shù)（tilted ion implantation technology），以改進(jìn)芯片的可生產(chǎn)性；二是Grounded p+ BPW（底部P井），在柵極底部“p+”的地方用BPW技術(shù)減少柵氧層的電場(chǎng)強(qiáng)度，使芯片具有更高的可靠性；三是在縱向溝道中采用n+JFET摻雜技術(shù)，使芯片整體損耗比傳統(tǒng)平面柵降低50%以上。
新型溝槽柵采用的自研技術(shù)
三菱電機(jī)半導(dǎo)體大中國(guó)區(qū)總經(jīng)理赤田智史補(bǔ)充說(shuō)：“我們目前的第二代產(chǎn)品是采用4H-碳化硅平面技術(shù)。現(xiàn)在到2025年將累計(jì)增加投資20億美元，重點(diǎn)研發(fā)溝槽柵MOSFET技術(shù)和高壓碳化硅MOSFET技術(shù)，同時(shí)擴(kuò)大產(chǎn)能。”
納微半導(dǎo)體高級(jí)技術(shù)營(yíng)銷總監(jiān)祝錦認(rèn)為，平面型碳化硅用得比較多，特別是電動(dòng)汽車主驅(qū)應(yīng)用，好處是良率比較高，成本相對(duì)較低，晶圓一致性較好。不足之處是開關(guān)轉(zhuǎn)換速度沒有溝槽型碳化硅快，同時(shí)單位晶圓面積偏大。而溝槽型犧牲了碳化硅的溫度特性，在175℃高溫和低溫情況下，導(dǎo)通電阻相差2倍以上。
他表示：“從生產(chǎn)工藝角度講，溝槽柵非常難做，良率不高，成本高，一致性也有挑戰(zhàn)。其最致命的問題是柵極特性，因?yàn)闇喜凼谴怪钡模瑴喜劭涛g拐點(diǎn)會(huì)受到較大電壓場(chǎng)強(qiáng)，所以柵極抗電場(chǎng)強(qiáng)度能力偏弱，短路電流能力也偏弱。”
據(jù)了解，納微收購(gòu)的GeneSiC的產(chǎn)品采用平面型導(dǎo)通溝道，也兼顧了溝槽概念——溝槽輔助平面結(jié)構(gòu)，結(jié)合了平面和溝槽的優(yōu)點(diǎn)。其獨(dú)有的IP和專利不僅不會(huì)增加成本，還可以使碳化硅的特性達(dá)到最優(yōu)，生產(chǎn)效率和良率比較高，每片晶圓的一致性也比較好。相比其他碳化硅產(chǎn)品，其運(yùn)行最高溫度低25℃，壽命延長(zhǎng)3倍之多。此外，已公布的100%耐雪崩測(cè)試中其耐受能力最高，短路耐受時(shí)間延長(zhǎng)30%，穩(wěn)定的柵極閾值電壓便于并聯(lián)控制。
平面碳化硅MOSFET的路還沒走完
Yole Intelligence認(rèn)為，在器件層面，平面和溝槽型碳化硅晶體管將在市場(chǎng)上共存。兩者的選擇取決于每個(gè)玩家的策略和目標(biāo)應(yīng)用。對(duì)于MOSFET來(lái)說(shuō)，平面技術(shù)在高擊穿電壓下具有更好的性價(jià)比；溝槽技術(shù)在更低擊穿電壓下效率更高。
Wolfspeed較早的一份資料也提到其Gen 3碳化硅MOSFET已經(jīng)達(dá)到平面設(shè)計(jì)的實(shí)際性能極限，下一代產(chǎn)品將是溝槽柵設(shè)計(jì)，目前Wolfspeed的Gen 4溝槽柵仍在開發(fā)中。
盡管已去世的Wolfspeed聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官John Palmour博士在1992年就申請(qǐng)了開創(chuàng)性專利，描述了垂直溝槽柵極碳化硅MOSFET結(jié)構(gòu)，他生前還是表示：“平面柵碳化硅MOSFET技術(shù)優(yōu)勢(shì)還遠(yuǎn)未耗盡。”
Gourab Majumdar博士也說(shuō)：“在低壓領(lǐng)域溝槽柵技術(shù)的挑戰(zhàn)已基本克服，2024年車用碳化硅模塊就會(huì)用溝槽柵技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。”因?yàn)榈蛪汉透邏盒酒闹饕獏^(qū)別是厚度。低壓芯片中主要的電阻構(gòu)成是溝道電阻和JFET電阻，所以有必要引入溝槽柵技術(shù)來(lái)降低總導(dǎo)通電阻。高壓芯片的導(dǎo)通電阻主要是漂移電阻（Rdrip），當(dāng)然也可以采用溝槽柵來(lái)做，但沒有太大必要，因?yàn)橛闷矫鏂啪涂梢詫?shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻。
國(guó)內(nèi)碳化硅溝槽剛剛起步
國(guó)外碳化硅溝槽器件的研究較早，幾家龍頭企業(yè)已逐步建立起專利壁壘，產(chǎn)品也已占據(jù)市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)2014年才開始第一代和第二代平面MOSFET研發(fā)，2018年第一片國(guó)產(chǎn)6英寸碳化硅MOSFET晶圓誕生，2020年我國(guó)第一個(gè)量產(chǎn)碳化硅MOSFET投產(chǎn)。
國(guó)內(nèi)在碳化硅溝槽器件的研究上仍處于起步階段，亟需建立碳化硅溝槽器件IP體系，培養(yǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與全套工藝能力，以突破日美歐第三代溝槽型MOSFET方面的專利封鎖，盡快縮短與國(guó)際大廠的差距，贏得未來(lái)十年碳化硅賽道競(jìng)爭(zhēng)的入場(chǎng)券。
