中國SiC，“挖坑”了嗎？_風聞
半导体行业观察-半导体行业观察官方账号-专注观察全球半导体最新资讯、技术前沿、发展趋势。04-23 18:35
SiC這幾年的發展速度幾乎超出了所有人的意料。最近幾年，在各家SiC廠商的努力下，SiC MOSFET器件已經有了大幅的改進，製造方法和缺陷篩查也有了一定的進步。SiC的商用化和上車之路已經明顯加速。
在SiC MOSFET的技術路線之爭上，一直有平面柵和溝槽柵兩種不同的結構類型。所謂的溝槽柵，可以通俗的理解為在平面的基礎上“挖坑”（如下圖的示意圖比較中可以清晰的看出）。國際SiC廠商們正在通過溝槽柵來更大的發揮SiC的潛力，放眼望去，有的廠商挖一個坑，有的挖兩個坑，還有的是斜着挖，各種技術結構層出不窮，百花齊放，也頗有看點。
（圖源：TechInsights）
SiC MOSFET：是平面柵還是溝槽柵？
在談SiC MOSFET之前，讓我們先來回顧下硅基MOSFET的發展歷程。在70、80年代，用於大功率的硅MOSFET採用的大都是垂直導電路徑和平面柵型結構，到90年代硅MOSFET轉而開始使用“挖溝槽”來提高效率。現在，在SiC MOSFET中使用溝槽結構由於具有降低導通電阻的效果而備受矚目。那麼，SiC MOSFET是該選擇平面柵還是溝槽柵呢？
平面柵結構是行業內應用最早、最廣泛、最可靠的架構。平面SiC MOSFET於2011年實現商業化，是由當時Cree推出的CMF20120D，平面柵結構由於具有結構簡單、容易製造、可靠性等優點，因此至今仍然佔據主導地位。然而，在減小芯片尺寸並因此提高產能的驅動下，其橫向拓撲結構限制了它最終可以縮小的程度。
溝槽柵結構是一種改進的技術，指在芯片表面形成的凹槽的側壁上形成MOSFET柵極的一種結構。溝槽柵的特徵電阻比平面柵要小，與平面柵相比，溝槽柵MOSFET消除了JFET區，因此不存在JFET電阻，少一個電阻。轉向溝槽柵的目的之一就是為了實現較低的特定導通電阻（Ronsp，電阻 x 面積），這可以允許芯片製造商縮小裸片的尺寸，使用更少的SiC原材料，從而提高產量。
理論上來説，溝槽柵能大大提升器件參數、可靠性及壽命。但是其難點也很顯而易見。溝槽MOSFET很難以實現可靠、穩定的運行。溝槽柵的設計必須解決器件頂部SiC的高電場(大於Si的9倍)最大化的問題，同時保護同樣位於器件頂部的精密柵極氧化物免受相同電場的影響。這種平衡行為需要巧妙而複雜的器件佈局，否則漂移區將需要嚴重降額，從而侵蝕溝槽架構的增益。因此，溝槽 MOSFET的一個缺點是它們的設計更復雜，通常需要更多的製造步驟，對工藝的複雜度要求較高。而且在可靠性方面也存在一定的風險。
為此，SiC芯片供應商們尤其是國際的大廠都在發揮自家各自的本領，開始了對SiC溝槽MOSFET的探索。
SiC巨頭們的選擇
在一眾SiC器件供應商中，如今除了Wolfspeed之外，基本都開始向溝槽柵佈局了。羅姆和英飛凌是率先轉向溝槽MOSFET的公司，電裝的SiC溝槽MOSFET也已正式商用。雖然目前市場上只有這3家廠商的溝槽型器件可用，但是為了潛在的產量和成本優勢，其他SiC廠商也早就在向溝槽結構佈局，例如住友電工、三菱電機、Qorvo（UnitedSiC）。ST通過基於溝槽技術生產具有新厚度和外延的SiC晶圓來重塑製造技術。安森美也將在下一代技術平台M4從平面結構升級為溝槽結構。
不過雖説各家都在“挖溝”，但是方式略微有所不同。接下來讓我們細細看來。
羅姆：雙溝槽結構的SiC MOSFET
2010年，羅姆在世界上首次成功量產SiC MOSFET(平面結構)。2015年6月，羅姆開發並量產了世界首個溝槽結構的SiC MOSFET，而且是雙溝槽的結構。截止目前，羅姆的SiC MOSFET已經發展到了第四代。
為何是雙溝槽結構？據羅姆的説法，在一般的單溝槽結構中，電場集中在柵極溝槽的底部，因此長期可靠性一直是個問題。而羅姆開發的雙溝槽結構，在源區也設置了溝槽結構，緩和了柵極溝槽底部的電場集中，確保了長期可靠性，使量產成為可能。
羅姆已經證明，第四代SiC mosfet在低損耗、可用性和高可靠性方面優於以前的產品，並且可以解決客户的設計問題，例如提高系統效率：
在第4代SiC MOSFET中，羅姆通過基於其原始雙溝槽設計的器件結構改進，與傳統產品相比成功降低了40%的導通電阻，並提高了短路耐受性（圖a所示）。通過顯着降低柵極-漏極電容 (Cgd)，實現了比傳統產品低50%的開關損耗（圖b所示）。而且與第3代和更早的 SiC MOSFET所需的18V 柵極-源極電壓 (Vgs) 相比，第4代產品支持更靈活的柵極電壓範圍 (15-18V)，從而能夠設計一個柵極驅動電路，該電路也可以用於IGBT。
（圖源：羅姆）
（圖源：羅姆）
當第4代SiC MOSFET用於牽引逆變器時，可以比IGBT解決方案減少6%的電力消耗（使用國際 WLTC 燃油經濟性測試計算標準）。
（圖源：羅姆）
英飛凌半包溝槽結構
英飛凌的溝槽設計方式是，每個溝槽的一側都有一個通道，另一側被深P+注入覆蓋，如下面所顯示，是英飛凌的SiC MOSFET的設計示意圖。具體來看，英飛凌的CoolSiC™ MOSFET包含一個獨特的非對稱溝槽結構：在溝槽側壁的左側，它包含與平面對齊的MOS通道，以優化通道的移動性；在溝槽側壁右側，溝槽底部的很大一部分嵌入到p+阱中，p+阱延伸到溝槽底部以下，從而減小了離態臨界電場，起到了體二極管的作用。
（圖源：英飛凌）
英飛凌的CoolSiC™ MOSFET溝槽分立器件系列提供650 V、1200 V、1700 V和2000 V電壓等級，7 mΩ-1000 mΩ導通電阻範圍的產品。採用英飛凌獨特的溝槽的方式，CoolSiC™ MOSFET為系統設計帶來了許多好處，包括高可靠性、效率提高、實現高開關頻率和高功率密度，降低系統複雜性和總系統成本。
電裝：溝槽型SiC MOSFET將商用
2023年3月31日，電裝（DENSO）宣佈已開發出首款採用碳化硅 (SiC) 半導體的逆變器。該逆變器集成在由 BluE Nexus Corporation 開發的電動驅動模塊 eAxle 中，將用於新款雷克薩斯RZ，這是該汽車製造的首款專用電池電動汽車 (BEV) 車型。DENSO將其SiC技術稱為“REVOSIC”。
DENSO獨特的溝槽型MOS結構採用DENSO專利電場緩和技術的溝槽柵極半導體器件，提高了每個芯片的輸出，因為它們減少了由發熱引起的功率損耗，獨特的結構實現了高電壓和低導通電阻操作。
住友電工的V 形槽溝槽
住友電工利用獨特的晶面新開發了V形槽溝槽金屬氧化物半導體場效應晶體管 (VMOSFET)。VMOSFET具有高效率、高阻斷電壓、惡劣環境下的高穩定性等優越特性，實現了大電流（單芯片200A），適用於電動汽車（EV）和混合動力汽車（HEV）。此外，住友電工正在與國家先進工業科學技術研究所合作開發具有世界最低導通電阻的下一代 VMOSFET。
（圖源：住友電工）
Qorvo：高密度溝槽SiC JFET結構
Qorvo的SiC技術主要來源於UnitedSiC，該公司於 2021 年 11 月加入 Qorvo，如今SiC也是Qorvo未來發展的重中之重。不同於傳統的SiC MOSFET設計，Qorvo另闢新徑。Qorvo的SiC FET採用了高密度溝槽 SiC JFET 結構，SiC MOSFET中的溝道電阻Rchannel被SiC FET中低壓硅MOSFET 的電阻所取代，後者的反轉層電子遷移率要好得多，實現了超低單位面積導通電阻，因此損耗也更低。該結構與低電壓 Si MOSFET 共同封裝，SiC FET的晶粒面積也相對較小。
（圖源：Qorvo）
基於這種設計，Qorvo的新產品實現了一流的導通電阻與面積乘積（ROnx A），從而具備了業界一流的品質因數（FoM），包括非常低的 RDS(on)x 面積、非常低的 RDS(on) x Eoss、RDS(on) x Coss,(tr) 和 RDS(on) x Qg。下面雷達圖中的較低值反映了各個參數的出色表現。
Qorvo的1200V第四代SiC FET產品規格從23mΩ-70mΩ，瞄準的也是800V電動汽車車載充電器（OBC）和直流轉換器。
（圖源：QorvoPower公號）
富士電機：用於全SiC模塊
2016年，富士電機開發了用於全SiC模塊的1.2 kV SiC溝槽 MOSFET，實現了3.5 mΩcm 2 的低比電阻，閾值電壓為 5 V，同時保持用於打開和關閉電流的“通道”的高可靠性。由此，與以前的平面結構相比，成功地將電阻率降低了50%以上。此外，富士電機還開發了一種採用獨特引腳連接結構的高電流密度專用 SiC 模塊，充分發揮了SiC器件的優點。富士電機已經使用該設備實現了All-SiC模塊。
三菱電機：獨特電場限制結構
2019年，三菱電機也開發出了一種溝槽的SiC MOSFET，為了解決溝槽型的柵極絕緣膜在高電壓下的斷裂問題，三菱電機基於在結構設計階段進行的先進模擬，開發了一種獨特的電場限制結構，將應用於柵絕緣薄膜的電場減小到常規平面型水平，使柵絕緣薄膜在高電壓下獲得更高的可靠性。
（圖源：三菱電機）
此外，三菱電機開發了一種新的製造方法來大規模生產其新型SiC-MOSFET。具體來看，三菱電機利用獨特的電場限制結構確保器件可靠性。通過注入鋁和氮來改變半導體層的電氣特性，從而保護柵極絕緣膜。如下圖所示，首先，垂直注入鋁，並在底部表面形成電場限制層(圖2-①)。應用於柵極絕緣薄膜的電場降低到傳統平面功率半導體器件的水平，從而提高了可靠性，同時保持超過1500v的擊穿電壓。接着，利用新開發的技術，以傾斜方向注入鋁(圖2-②)，形成連接電場限制層和源電極的側接地，以實現高速開關並降低開關損耗。
（圖源：三菱電機）
再者，通過局部形成的高雜質摻雜層實現了較低水平的導通電阻。三菱電機開發了一種新的斜向注入氮的方法（圖2-③），在局部形成一層高濃度氮的碳化硅，使電流通路中的電流更容易傳導。結果，即使單元密集排列，與沒有高濃度層的情況相比，電阻率也可以降低約25%。新的製造方法還允許優化側面接地的間隔，最終實現了特定導通電阻1.84 mΩcm2，擊穿電壓超過1500 V。
國內SiC產業何時跨入溝槽式？
從各廠商的動作來看，SiC MOSFET的器件結構似乎在重走IGBT的路，向溝槽型邁進是SiC MOSFET的必由之路。而國內的SiC MOSFET廠商大多是以平面柵為主。就目下而言，平面型SiC MOSFET仍然是主流，對國產廠商而言也是主要的發展路線。
如Wolfspeed聯合創始人John Palmour在德國媒體Elektroniknet發佈的一篇採訪文章中表示，他認為平面柵SiC MOSFET的技術優勢遠未耗盡。
SiC MOSFET供應商派恩傑是國內SiC領域上車的先行者之一，此前派恩傑的傑創始人黃興博士也曾談到，SiC材料與硅基不同，由於碳化硅有優異的性能可使激光刻蝕無限量縮小pitch，從而達到更好的HDFM效率。因而不需要如硅基芯片一樣挖溝槽來縮Pitch。未來幾年，平面型MOSFET技術依然是車用碳化硅MOSFET的主流。基於平面柵結構，派恩傑已經發布了650V-1700V各個電壓平台的SiC MOSFET，而且已經順利在新能源龍頭企業批量供貨，實現“上車”。
至於未來國產SiC廠商何時要“挖溝”目前還不好説。但即使要邁向溝槽柵結構，對國內廠商而言也不是易事，如上文所述，溝槽柵的設計難度極高，而且對製造工藝也有很高的要求。國際大廠往往採用IDM模式，可將製造與自身設計進行不斷地試驗，國產廠商一般採用的是FablessMOS，要跨入溝槽式想必還有一段時日。
除此之外，溝槽結構的高專利壁壘也是國產廠商要邁過去的坎兒。國際SiC巨頭在SiC MOSFET領域佈局多年，也積累了不少專利。因此，持有關鍵專利的老牌SiC廠商有望在市場上獲得長期競爭優勢。下圖是Yole統計的SiC專利持有者的情況。雖然許多公司都在專注於建立垂直整合的供應鏈以確保其SiC業務的長期發展，但很少有公司在整個SiC價值鏈上開發出強大的專利組合，國產SiC廠商仍有很大的發展空間。
