据南京发布近日消息，国家第三代半导体技术创新中心（南京）历时4年自主研发，成功攻关沟槽型碳化硅MOSFET芯片制造关键技术，打破平面型碳化硅MOSFET芯片性能“天花板”。据悉这是我国在这一领域的首次突破。
公开资料显示，碳化硅是第三代半导体材料的主要代表之一，具有宽禁带、高临界击穿电场、高电子饱和迁移速率和高导热率等优良特性。碳化硅MOS主要有平面结构和沟槽结构两种结构。目前业内应用主要以平面型碳化硅MOSFET芯片为主。
平面碳化硅MOS结构的特点是工艺简单，元胞一致性较好、雪崩能量比较高；缺点是当电流被限制在靠近P体区域的狭窄N区中，流过时会产生JFET效应，增加通态电阻，且寄生电容较大。
平面型与沟槽型碳化硅MOSFET技术对比 来源：头部大厂结构图
沟槽型结构是将栅极埋入基体中，形成垂直沟道，特点是可以增加元胞密度，没有JFET效应，沟道晶面可实现最佳的沟道迁移率，导通电阻比平面结构明显降低；缺点是由于要开沟槽，工艺更加复杂，且元胞的一致性较差，雪崩能量比较低。
“关键就在工艺上。”国家第三代半导体技术创新中心（南京）技术总监黄润华介绍，碳化硅材料硬度非常高，改平面为沟槽，就意味着要在材料上“挖坑”，且不能“挖”得“坑坑洼洼”的。在制备过程中，刻蚀工艺的刻蚀精度、刻蚀损伤以及刻蚀表面残留物均对碳化硅器件的研制和性能有致命影响。
对此，国家第三代半导体技术创新中心（南京）组织核心研发团队和全线配合团队，历时4年，不断尝试新工艺，最终建立全新工艺流程，突破“挖坑”难、稳、准等难点，成功制造出沟槽型碳化硅MOSFET芯片，较平面型提升导通性能30%左右，目前中心正在进行沟槽型碳化硅MOSFET芯片产品开发，推出沟槽型的碳化硅功率器件，预计一年内可在新能源汽车电驱动、智能电网、光伏储能等领域投入应用。
该突破对我们的生活和半导体产业有何加持作用呢？黄润华以新能源汽车举例介绍，碳化硅功率器件本身相比硅器件具备省电优势，可提升续航能力约5%；应用沟槽结构后，可实现更低电阻的设计。在导通性能指标不变的情况下，则可实现更高密度的芯片布局，从而降低芯片使用成本。
生产一代、研发一代、预研一代，目前国家第三代半导体技术创新中心（南京）已启动碳化硅超级结器件研究，“这个结构的性能，比沟槽型结构更优更强，目前还在研发。”黄润华透露。
国际大厂深耕沟槽型碳化硅MOSFET芯片
沟槽型碳化硅MOSFET芯片研究在国际上势头红火，罗姆、英飞凌、日本电装、日本住友、安森美、三菱电机功率器件制作在沟槽型碳化硅MOSFET芯片制造技术上也有着较强优势。
罗姆
公开资料显示，罗姆是率先转向沟槽MOSFET的公司，2018年罗姆推出先进的车规级沟槽型碳化硅MOSFET。2020年罗姆开发出第四代沟槽结构MOSFFT，通过进一步改进自创的双沟槽结构，改善了EV牵引逆变器等应用所需的短路耐受时间，与第三代相比，在不牺牲短路耐受时间的情况下将导通电阻降低约40%，为业内最低。目前，罗姆在还在开发第五代沟槽技术。
图片来源：罗姆
据罗姆官方表示，沟槽MOS结构是在外延层中形成沟槽（沟槽MOS）并用多晶硅填充的结构，这种结构可以缓和电场集中，从而可以降低外延层的电阻率，在正向施加时VF更低。另外，当反向施加时，可以缓和电场集中现象，从而实现更低的IR。
英飞凌
英飞凌并没有选择进入平面结构市场，而是直接选择了沟槽结构，其产品定位于高端市场。
英飞凌的沟槽设计方式与众不同，属于半包沟槽结构，如下图。每个沟槽的一侧都有一个通道，另一侧被深P+注入覆盖，如下面所显示，是英飞凌的SiC MOSFET的设计示意图。具体来看，英飞凌的CoolSiC?MOSFET包含一个独特的非对称沟槽结构：在沟槽侧壁的左侧，它包含与平面对齐的MOS通道，以优化通道的移动性；在沟槽侧壁右侧，沟槽底部的很大一部分嵌入到p+阱中，p+阱延伸到沟槽底部以下，从而减小了离态临界电场，起到了体二极管的作用。
英飞凌的SiC MOSFET的设计示意图 来源：英飞凌
2016年，英飞凌推出第一代CoolSiC系列碳化硅MOSFET，并在2022年更新了第二代产品，相比第一代增强了25%-30%的载流能力，其第三代碳化硅MOSFET采用先进的沟槽结构，具有更低的导通损耗和开关损耗，提高了能效。
日本电装
2023年3月31日，电装（DENSO）宣布已开发出首款采用碳化硅(SiC)半导体的逆变器。该逆变器集成在由BluE Nexus Corporation开发的电动驱动模块eAxle中，将用于新款雷克萨斯RZ，这是该汽车制造的首款专用电池电动汽车(BEV)车型。DENSO将其SiC技术称为“REVOSIC”。
电装的沟槽栅结构 来源：电装
DENSO独特的沟槽型MOS结构采用DENSO专利电场缓和技术的沟槽栅极半导体器件，提高了每个芯片的输出，因为它们减少了由发热引起的功率损耗，独特的结构实现了高电压和低导通电阻操作。
住友电工
住友电工利用独特的晶面新开发了V形槽沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管(VMOSFET)。VMOSFET具有高效率、高阻断电压、恶劣环境下的高稳定性等优越特性，实现了大电流（单芯片200A），适用于电动汽车（EV）和混合动力汽车（HEV）。公开资料显示，住友电工正在与国家先进工业科学技术研究所合作开发具有世界最低导通电阻的下一代VMOSFET。
安森美
安森美在碳化硅MOSFET的沟槽结构尚在开发中，目前其积累了约20份相关专利。今年上半年安森美发布的最新产品为M3S，是第二代1200V SiC MOSFET，依旧延续的是延续平面型结构。据悉，下一代M4将会升级为沟槽结构，降低SiC MOSFET芯片面积的同时，成本也将显著得到优化。安森美中国区汽车市场技术应用负责人、碳化硅首席专家吴桐博士此前在采访中表示，安森美有很多沟槽型样品在进行内部测试，问题在于，过早地推出沟槽栅产品在可靠性方面会有一定风险。所以，公司正在对认为有风险的点进行测试和可靠性优化，提升沟槽栅的利用率。
三菱电机
2019年，三菱电机开发出一种沟槽的SiC MOSFET，为了解决沟槽型的栅极绝缘膜在高电压下的断裂问题，三菱电机基于在结构设计阶段进行的先进模拟，开发了一种独特的电场限制结构，将应用于栅绝缘薄膜的电场减小到常规平面型水平，使栅绝缘薄膜在高电压下获得更高的可靠性。
三菱电机的新型沟槽型SiC-MOSFET三维结构示意图 来源：三菱电机
三菱电机功率器件制作所首席技术顾问Gourab Majumdar博士此前在接受电力电子网采访时候曾表示，碳化硅路线将来要用到两个新技术，在1200V以下是沟槽栅碳化硅MOSFET，3.3kV以上将采用把肖特基二极管（SBD）集成在MOSFET中的平面栅碳化硅MOSFET技术。
他表示三菱电机的新型沟槽栅采用三个自研技术：一是倾斜离子注入技术（tilted ion implantation technology），以改进芯片的可生产性；二是Grounded p+BPW（底部P井），在栅极底部“p+”的地方用BPW技术减少栅氧层的电场强度，使芯片具有更高的可靠性；三是在纵向沟道中采用n+JFET掺杂技术，使芯片整体损耗比传统平面栅降低50%以上。
从全球市场看，国外碳化硅沟槽器件的研究较早，几家龙头企业已逐步建立起专利壁垒，产品逐步导入市场；国内目前在碳化硅沟槽器件的研究上仍处于起步阶段，大部分厂商仍以平面碳化硅MOS结构为主。近年来我国企业在6英寸、8英寸碳化硅上发力，不断缩小与国际大厂差距，未来也将在碳化硅沟槽器件有所突破，以期在碳化硅赛道上实现弯道超车。
