有目共睹的是，近年来碳化硅功率半导体的发展速度几乎超出了大家的预期。 其中，SIC MOSFET因其取代现有硅超结（SJ）晶体管和IGBT技术的潜力而受到特别关注。
行业竞争对手和新玩家纷纷涌入，在这个新兴市场加倍投入。
事实上，SiC MOSFET的发展历史悠久，早在2024年，全球碳化硅行业领导者Wolfspeed的前身Cree Corporation的创始人之一John Palmour就申请了一种涉及在碳化硅衬底上产生MOS电容器的结构，这项专利后来被认为是创造碳化硅MOSFET的关键。
然而，由于衬底良率和制造工艺等问题，直到2024年左右，SIC MOSFET才实现商业化。
当时，CREE推出了市场上第一款SiC MOSFET，具有平面栅极结构的CMF20120D（据其他说法，ROHM在2024年率先推出了第一款平面SiC MOSFET）。 2024年，ROHM率先量产采用沟槽栅结构的SiC MOSFET，可以更好地利用SiC材料的特性，使工艺更加复杂。
经过近10年的发展，沟槽式SiC MOSFET正被认为是SiC MOSFET技术路线中更具优势的技术路线和发展方向。
平面还是凹槽？
在SiC MOSFET技术路线图的争夺战中，一直存在两种不同的结构类型：平面栅极和沟槽栅极。
平面栅极和沟槽栅极都是垂直导电的MOSFET，两者在结构上有相似之处，源极在上，漏极在下，两者的区别在于栅极。
平面栅极SiC MOSFET结构：栅极和源极分布在同一水平面上的“平面”内，沟道平行于衬底。 平面网格结构的特点是工艺简单，元素一致性好，雪崩能量高。 然而，由于JFET区域的存在，平面栅SiC MOSFET器件具有较大的输入电容，这增加了导通电阻并降低了器件的电流能力。
沟槽SiC MOSFET结构：栅极位于源极下方，在半导体材料中形成“沟槽”，沟槽栅结构中的沟道和栅极垂直于衬底，这也是与平面栅结构的显著区别。 尽管过程复杂，但单元一致性比平面结构差。 但是，由于沟槽结构没有JFET效应，具有较高的沟道密度，并且在沟槽所在的SiC晶体平面上具有较高的沟道迁移率，因此可以实现更低的比导通电阻、更高的电流导通和更宽的开关速度。
因此，新一代SiC MOSFET主要采用这种结构进行研究和采用。
SiC功率MOSFET器件结构。
相对而言，平面栅极SiC MOSFET工艺复杂度不高，发展历史也比较长，国内外相关产品较早实现量产，在特斯拉、比亚迪等多家车企的带动下，平面栅极SiC MOSFET功率模块从2024年开始进入主驱逆变器。
然而，在减小芯片尺寸从而提高良率的过程中，平面栅极SiC MOSFET的横向拓扑结构限制了其最终可以减小的程度。
相比之下，沟槽式SiC MOSFET器件由于其沟槽栅结构而具有以下突出优势
导电通道由水平变为垂直，有效节省器件面积，大大提高功率密度。
沟槽结构几乎消除了JFET区域，大大降低了器件的输入电容，提高了开关速度，降低了开关损耗。
JFET区域的电阻也被消除，该器件的RDSON能力可以进一步提高，以降低电流。
与平面栅极SiC MOSFET器件相比，沟槽SiC MOSFET具有更高的功率密度、更快的开关速度、更低的导通电阻和更低的损耗，因此引起了行业公司的极大关注。
通俗地说，沟槽栅极SiC MOSFET可以理解为在平坦表面的基础上“挖坑”，国际SIC厂商正在利用沟槽栅极最大限度地发挥SiC的潜力。 不过，虽然每个都是“挖坑”，但方式略有不同，看来，有的厂家挖坑，有的挖两个坑，有的斜挖，各种技术结构层出不穷，百花齐放。
业界几种沟槽栅极SiC MOSFET示意图。
为此，碳化硅芯片厂商，尤其是国际厂商，正在充分发挥各自的技能，开始探索沟槽式碳化硅MOSFET。
沟槽式SiC MOSFET，多方面攻击。
在领先的SiC器件制造商中，他们基本上已经开始部署沟槽栅MOSFET。
ROHM和英飞凌率先转向沟槽式SiC MOSFET。 根据YOL报告，沟槽SiC MOSFET阵营已经从最初的ROHM和Infineon扩展到多家领先的制造商，如住友电工、三菱电机、电装、Qorvo（UnitedSiC）、意法半导体、Wolfspeed、安森美半导体等，都在从平面MOSFET向沟槽结构转型。
罗姆：双槽结构
2024年，ROHM开发并量产了全球首款采用沟槽结构和双槽结构的SiC MOSFET。 截至目前，ROHM的沟槽式SiC MOSFET已发展成为源极沟槽和栅极沟槽兼备的双沟槽结构。
ROHM双沟槽SiC MOSFET结构。
资料来源：罗姆）。
在典型的单沟槽结构中，电场集中在栅极沟槽的底部，因此长期可靠性始终是一个问题。 ROHM开发的双沟槽结构在源区也具有沟槽结构，以缓解栅沟底部的电场集中，成功地降低了电场，防止了栅极沟槽处氧化层的破坏，保证了长期可靠性，提高了器件的性能。
据了解，在第四代SiC MOSFET中，罗姆进一步改进了双沟槽结构，在改善短路耐受时间的前提下，与第三代产品相比，成功降低了导通电阻约40%。 同时，通过显著降低栅极漏电容，与第三代产品相比，开关损耗降低了约50%。
第4代SiC MOSFET与第3代的导通电阻和开关损耗比较（出处：ROHM）。
从2024年到2024-2024年，第四代SiC MOSFET的ROHM**将逐步增加其在销售组合中的份额。
与其他仍在挑战首次量产沟槽浇口产品的竞争对手相比，ROHM已经领先了几个位置。 根据其产品路线图，将于 2025 年和 2028 年推出的第 5 代和第 6 代的导通电阻预计将再降低 30%。
ROHM的SiC MOSFET技术路线图。
英飞凌：半成套沟槽结构
众所周知，“挖洞”是英飞凌的祖传技艺。
在硅基产品时代，英飞凌的沟槽式IGBT和沟槽式MOSFET在世界上独树一帜。 随着SiC时代的到来，市场上的SiC MOSFET大多是平面电池，英飞凌延续了沟槽结构路线。
英飞凌半封装沟槽式SiC MOSFET结构示意图。
2024年，英飞凌报道了一种采用半侧导通结构的沟槽式SiC MOSFET器件，该器件可在栅极沟槽的一侧形成导电通道。 从上图可以看出，相邻沟槽中的区域是不对称的，沟槽的左壁包含MOS通道，MOS通道与A平面对齐以达到最佳通道移动性，沟槽底部的大部分嵌入沟槽底部下方的P形区域。
该结构可以保护沟槽的角落免受电场的峰值影响，提高器件的可靠性，并进一步提高器件的耐压，使开关控制良好，动态损耗很低。 特别是，此特性对于抑制使用半桥的拓扑中寄生传导引起的额外损耗至关重要。
英飞凌的Coolsic MOSFET沟槽分立器件系列采用英飞凌独特的沟槽方法，为其系统设计带来了许多优势，包括高可靠性、更高的效率、高开关频率和高功率密度、降低系统复杂性和总系统成本。
英飞凌于 2016 年推出了第一代 CoolSiC 系列 SiC MOSFET，并于 2022 年更新了第二代产品，与第一代相比，载流能力提高了 25% 至 30%。
在产能方面，英飞凌目前主要通过其独特的“冷切削”技术来减少铸锭切割过程中的材料浪费，未来在同一铸锭中可以获得两倍的碳化硅衬底，以提高产能。 另一方面，英飞凌去年宣布投资超过20亿欧元，扩建其在马来西亚的碳化硅晶圆厂。
意法半导体（STMicroelectronics）：挖掘飞机的潜力并布置战壕
据YOLE统计，全球碳化硅功率器件市场占有率最高的厂商是意法半导体（ST），而与特斯拉的合作，意法半导体的SiC MOSFET产品也是首款在电动汽车上大规模使用的，自Model3车型开始，特斯拉就一直在大规模使用意法半导体的碳化硅模块。
在芯片设计方面，意法半导体持续发掘平面设计SiC MOSFET的技术潜力，并于2024年推出第四代平面栅极SiC MOSFET。 与上一代产品相比，第四代平面栅极碳化硅的性能有所提高，导通电阻降低了15%，工作频率提高了一倍，达到1MHz。
此前计划的沟槽栅极产品将是意法半导体的第五代SiC MOSFET，该产品应该处于研发阶段，预计将于2024年量产。
意法半导体的SiC MOSFET路线图。
资料来源：ST）。
与平面SiC MOSFET相比，沟槽SIC MOSFET具有更小的导通电阻、更低的寄生电容和更强的开关性能。
在产能方面，意法半导体此前计划在2022财年投资21亿美元扩大产能，包括扩建原有的6英寸碳化硅晶圆厂和将于2024年投产的新加坡6英寸碳化硅晶圆厂。 与此同时，意法半导体于2024年收购的瑞典碳化硅衬底制造商Norstel也已开始测试8英寸碳化硅材料，预计将于2024年左右应用于新加坡的8英寸生产线。
安森美半导体：沟槽产品即将到来
2024年第三季度，随着收购基板制造商GTAT的批准，安森美构建了从碳化硅锭、衬底、器件生产到模块封装的垂直整合模式。
虽然其中一些项目的技术实力还远远落后于各领域的龙头企业，但整体实力更加均衡：与基板龙头Wolfspeed相比，安森美的组件封测和量产经验略胜一筹; 与英飞凌相比，英飞凌拥有出色的器件设计能力，安森美增加了GTAT碳化硅材料。
从产品结构来看，安森美第一代碳化硅MOSFET技术（M1）采用扁平化设计，耐压额定值为1200V。 后来，推导了900V和750V的耐压规格，并将微观结构改为HEX电池设计，并将两者叠加，使SiC MOSFET的导通电阻降低了约35%。 安森美的大多数碳化硅产品都基于M1及其衍生的M2平台。
最新一代的碳化硅技术（M3）仍然使用平面技术，但已改为受专利保护的带状电池设计，与上一代衍生物相比，导通性能提高了16%。 这一代产品将逐步成为公司主要的汽车碳化硅平台，在电压规格上覆盖电动汽车主流的400V和800V平台。
据了解，安森美的下一代技术平台M4将从平面结构升级为沟槽结构。 与原来的SiC技术相比，SiC MOSFET的沟槽结构可以在相同的载流能力下大幅减少芯片面积。 此外，M4平台将在8英寸晶圆上生产，预计M4的成本将大大低于以前。
事实上，安森美多年来一直在研究沟槽浇口，并且许多样品都在内部进行测试，它认为唯一的问题是过早推出沟槽浇口产品在可靠性方面存在一定的风险。 因此，安森美正在优化沟槽电网的可靠性并提高利用率。
同时，在提高可靠性方面，安森美也在对沟槽门进行彻底的调查，在标准测试的基础上增加一些被认为有风险的测试点，并试图澄清风险。
此外，从包装的角度来看，安森美提供多种不同的封装选择，还将推出设计强大的下一代封装，通过不断迭代包装，可以适应不同的需求。
三菱电机：独特的电场限制结构
2024年，三菱电机还开发了沟槽式SiC MOSFET，为了解决沟槽式栅极绝缘膜在高压下断裂的问题，三菱电机在结构设计阶段基于先进的仿真，开发了一种独特的电场限制结构，将施加在栅极绝缘膜上的电场降低到常规的平面水平， 使栅极绝缘膜在高压下获得更高的可靠性。
三菱电机新型沟槽式SiC MOSFET结构示意图。
资料来源：三菱电机）。
三菱电机通过独特的电场约束结构确保设备的可靠性，该结构通过注入铝和氮来改变半导体层的电性能来保护栅极绝缘膜。
具体来说，就是沿垂直沟槽方向注入铝，在沟槽底部形成电场限制层，然后通过其新技术斜注入铝，形成连接电场限制层和源极的侧接地，倾斜注入氮气，然后在局部形成更容易导电的高浓度掺杂层。 电场限制层将施加在栅极绝缘膜上的电场降低到传统平面结构的水平，保证了耐压，提高了器件的可靠性。 电场限制层与电源侧接地，实现高速开关操作，降低开关损耗。
与平面结构相比，沟槽器件的电池间距更小，因此功率器件可以布置更多的电池。 电池的高密度排列增加了电流的流动量，但如果栅极之间的间距太小，路径会变窄，电流流动困难。 氮气被倾斜注入，形成一个高度浓缩的掺杂层，更容易在局部导电，使电流路径中的电流变得容易传输，从而降低电流路径的电阻。 与未使用的高浓度层相比，电阻率降低了约25%。
Wolfspeed：平面栅极SiC MOSFET的优势尚未耗尽
作为一家在碳化硅行业拥有 30 多年经验的公司，Wolfspeed 及其前身 Cree 于 1991 年推出了第一个量产碳化硅衬底。 Wolfspeed 的碳化硅衬底性能和质量非常强大，以至于 STMicroelectronics、Infineon 和 ON 等竞争对手不得不为此花费数亿美元。 因此，Wolfspeed 的碳化硅产品获得了关键的先发优势，并成为整个碳化硅行业的风向标。
在设计方面，Wolfspeed 的 SiC MOSFET 采用平面设计，涵盖 650V 至 1200V 之间的多种电压规格。 与前两代相比，Gen3平面MOSFET采用六边形单体电池微设计，导通电阻比上一代带状电池低16%。
Wolfspeed Gen3 SiC MOSFET 采用 HEX Cell 的平面技术 （**Wolfspeed）。
据了解，Wolfspeed的下一代产品将是沟槽栅极设计，Gen4沟槽栅极MOSFET仍在开发中，具体量产时间尚未透露。
虽然沟槽结构也在布局中，但从一开始就致力于碳化硅二极管和MOSFET开发的Wolfspeed认为，平面栅极SiC MOSFET的技术优势远未耗尽。
Wolfspeed的联合创始人John Palmour曾经说过：“因为沟槽MOSFET具有更好的导通电阻，所以这是一个关键的性能指标。 只要我们在导通电阻方面远远领先于沟槽式SiC MOSFET，我认为没有理由改变这一点，我们将继续改进平面SiC MOSFET。 客户不应该在意它是平面MOSFET还是沟槽MOSFET，重要的是特定的导通电阻。 事实上，我们并不在乎我们拥有哪条技术路线，我们只关注哪种设计会给客户带来最大的利益。 ”
总之，在平面结构上还有深挖的空间，可靠性也有市场。
富士电机：全碳化硅沟槽MOSFET
早在2024年，富士电机就开发了用于所有SiC模块的1200V SiC沟槽MOSFET，实现了35m cm2 的低比电阻，阈值电压为 5V，同时作为开闭电流的“通道”保持高可靠性。
因此，与传统的平面结构相比，电阻率降低了50%以上。 此外，富士电机还开发了一种高电流密度专用SiC模块，该模块具有独特的引脚连接结构，充分利用了SiC器件的优势。 富士电机使用该设备实现了ALL-SIC模块。
日本住友：V型凹槽
2024年，住友商事开发了具有厚底氧化层的V型沟槽SiC MOSFET器件样品，进一步提高了器件的栅氧可靠性和阈值稳定性。
住友电工SiC VMOSFET的横截面图。
资料来源：住友电工）。
住友电工开发了一种使用独特晶体平面的新型V型槽沟槽MOSFET。 V-MOSFET在恶劣环境下具有高效率、高阻断电压、高稳定性等优异特性，可实现大电流（单片200A），适用于EV和HEV。 此外，住友电工还与日本工业技术综合研究所合作，开发具有全球最低导通电阻的下一代V-MOSFET。
电装：U型凹槽
2024年3月，电装宣布开发出首款使用SiC半导体的逆变器。
其中，电装独特的沟槽式MOS结构利用其专利的电场缓解技术和沟槽栅极半导体器件，降低了发热引起的功率损耗，提高了每个芯片的输出，独特的结构实现了高电压和低导通电阻的运行。
电装的沟槽门结构（出处：电装）。
根据一些资料，电装与住友的凹槽结构相似，但已改为U形凹槽。
资料来源：松歌动力。
Qorvo：高密度沟槽式 SiC JFET 结构
Qorvo 的 SiC 技术基于 2021 年收购 UnitedSiC，现在 SiC 是 Qorvo 未来发展的重中之重。
据了解，与传统的SiC MOSFET设计不同，Qorvo采用了一种新的方法，其SiC MOSFET采用高密度沟槽SiC JFET结构，SiC MOSFET中的沟道电阻R沟被SIC FET中低压硅MOSFET的电阻所取代，后者具有更好的倒置层电子迁移率， 实现单位面积的超低导通电阻，因此损耗也更低。该结构与低压SI MOSFET共封装，SIC FET的芯片面积也相对较小。
SiC MOSFET（左）和 Qorvo 的 SiC FET（右）架构的比较（来源：Qorvo）。
Qorvo 扩展了其 1200V 产品组合，将其突破性的 SIC FET 技术应用于 23M 至 70M 的更高电压应用，包括 800V EV 车载充电器 （OBC） 和直流转换器等应用。
瑞萨电子：两级沟槽MOSFET型号
据了解，瑞萨电子刚刚在2024年申请了专利，准备研究碳化硅沟槽结构，简称"周期性连接，变化两级沟槽MOSFET”。
资料来源：碳化硅芯片研究笔记。
写在最后。 综上所述，提高SiC MOSFET性能的几个重要指标，包括更小的电池间距、更低的比导通电阻、更低的开关损耗和更好的栅极氧保护，几乎都指向沟槽栅结构。
从整个行业来看，目前沟槽式SIC MOSFET的量产主要由欧美、日本等国际SIC厂商进行。 从国际厂商的布局来看，沟槽栅极SiC MOSFET将是未来更具竞争力的解决方案。
自2024年推出首款量产沟槽栅极SiC MOSFET产品以来，已经过去了近9年，很多企业都在开发沟槽栅极产品，但市场上能够推出量产产品的厂商并不多。
当然，高性能沟槽栅极SiC MOSFET的设计和制造也是国产SiC功率器件发展的重中之重，一些企业已将研究重点转移到沟槽栅极SiC MOSFET上。 不过，需要注意的是，国际碳化硅巨头在碳化硅MOSFET领域已经涉足多年，积累了大量的专利。 凹槽结构的高专利壁垒也是国内厂商需要克服的障碍。
据《碳化硅芯片研究笔记》作者介绍：“沟槽式碳化硅MOSFET的全套技术和结构IP是未来十年碳化硅竞争的门票！ “在当前整体碳化硅市场持续快速增长的时期，有必要提前布局合适的技术路线，才有机会在未来的新应用市场中占据领先地位。
参考资料： 1] 2023 年沟槽年总结 – 13 家 SiC 公司的沟槽 MOSFET 开发路线图
2]平型还是沟槽型，谁在行业内有发言权？碳化硅（SiC） MOSFET的未来。
3]西线没有战争，碳化硅五的烟雾。
大国的科学技术都在