自1991年第一批碳化硅晶圆发布后，碳化硅的进展相当缓慢，20年后才推出第一个全碳化硅商用 MOSFET。到2018年，特斯拉才在其400V逆变器中将这种新型器件推到了应用前沿。特斯拉的减少碳化硅用量实际上可能指的是碳化硅面积，也就是用碳化硅器件发展过程中的沟槽型技术路线替代平面型器件。
从平面到沟槽结构的演变的确可以节省碳化硅面积。特斯拉说的削减75%碳化硅应该被认为是采用沟槽结构。虽然业内一致认为沟槽型是发展方向，但也有观点认为，目前沟槽型在牵引电机领域的性能不如平面型。
碳化硅MOSFET结构的演变
根据Yole SystemPlus对十余款量产的1200V碳化硅晶体管的横截面比较，发现大多数玩家都是采用平面工艺，如安森美、Wolfspeed、Microsemi（现为Microchip）等，只有罗姆和英飞凌两家选择了沟槽型。意法半导体（ST）、三菱电机和Wolfspeed等其他市场领导者也在研发沟槽工艺，但迄今为止尚未量产。
本文将介绍沟槽型与平面型碳化硅器件各自的优点和缺点，分享厂商的一些观点以及近年来的相关进展。
尺有所短，寸有所长
碳化硅MOSFET分为平面结构和沟槽结构。平面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。
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。尽管如此，在功率较大的器件中，沟槽型碳化硅衬底可以提高器件的功率密度和散热能力，从而提高器件的性能和可靠性。
平面型与沟槽型碳化硅MOSFET技术
至于哪种结构更好，应取决于应用需求和器件规格。因此，通常对于功率较小的器件，平面型碳化硅衬底可能已经能够满足要求；而对于功率较大的器件，沟槽型碳化硅衬底可能是更好的选择。
由于沟槽型碳化硅MOSFET专利壁垒较高，目前可量产的沟槽结构碳化硅MOSFET并不多。为了更好地保护沟槽型MOSFET的栅极氧化层，特别是底部和沟槽角落，获得更好的抗浪涌和短路耐受能力，罗姆采用在栅极沟槽两侧构造源极双沟槽结构来屏蔽中间的栅极沟槽底部；英飞凌则采用P+半包非对称沟槽结构。此外，日本住友采用的是Ⅴ型沟槽结构双掩埋结构。
沟槽结构碳化硅MOSFET
量产沟槽碳化硅厂商的做法
量产碳化硅沟槽结构的厂商认为，相比平面型结构，沟槽型碳化硅MOSFET在成本和性能方面都具有较强优势。
罗姆是率先转向沟槽MOSFET的公司，而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。电装的沟槽型碳化硅MOSFET也已正式商用。
Yole SystemPlus指出，几个领先玩家在碳化硅晶体管方面的设计策略表明，通过从平面工艺（第二代）切换到沟槽工艺（第三代），罗姆在4年内就将FoM（优值系数，Rdson×Qg）和间距尺寸减小了50%。下一代采用更先进的沟槽工艺可进一步改善这些指标。
作为最早将沟槽栅技术用于晶体管的厂商，罗姆2015年的第三代碳化硅产品量产双沟槽结构碳化硅MOSFET，在改善短路耐受时间（SCWT，因短路而失效所需的时间）的同时，使导通电阻比以往产品降低约40%，实现了业界最低。之后不断迭代，2018年罗姆推出先进的车规级沟槽型碳化硅MOSFET。
罗姆认为，相比平面型，沟槽型碳化硅MOSFET在成本和性能上都具有较强优势。以其第三代碳化硅MOSFET（第一代沟槽型碳化硅MOSFET）为例，其芯片面积仅为其第二代平面型的75%，同样芯片尺寸导通电阻降低了50%，而罗姆第二代沟槽型碳化硅MOSFET比第一代沟槽型产品导通电阻又降低了40%。
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。在不断改进导通电阻的过程中，设计者将面临短路耐受时间更短的权衡。第四代碳化硅MOSFET不会牺牲短路耐受时间，因此能够以更高的效率、更小的封装和更高的可靠性实现转换器和电源设计。目前，罗姆在还在开发第五代沟槽技术。
沟槽型碳化硅MOSFET的演进
英飞凌是沟槽型碳化硅MOSFET技术的拥趸，其产品定位于高质高价，这与采用的沟槽技术的先进性和成熟度有很大关系。英飞凌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。
英飞凌认为，虽然平面结构碳化硅MOSFET生产工艺相对简单，栅极氧化物可靠性更高，但在与性能相关的单位面积导通电阻和寄生电容，以及成本相关的单位电流芯片尺寸方面不能与沟槽栅设计相比。另外，开关损耗的降低可以用更小的系统尺寸实现高频操作，从而实现更高的效率和功率密度；沟槽技术也可以提高栅氧化层的可靠性，雪崩和短路鲁棒性也可以改进，以实现更高的系统可靠性。
不过，这种沟槽型MOSFET更加复杂，因此制造成本更高。此外，由于采用这种设计更难控制栅极氧化物厚度，栅极沟槽中的薄弱区域可能会挑战器件可靠性。
尚在开发沟槽结构的厂商怎么说？
安森美在沟槽栅技术方面已研究了很多年，目前已积累了大约20份相关专利。其下一代技术平台M4将升级为沟槽结构，有望2023年底推出，预计2024年会出样。安森美电源方案部执行副总裁兼总经理Simon Keeton最近在北京表示：“沟槽设计是一个重要的点，可以将过去几十年硅技术的领先经验沿用到碳化硅中，为碳化硅技术的发展提供坚实的基础。”
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表示，在栅极结构方面，安森美量产的第三代碳化硅器件还是采用平面栅结构，因为有很多结构设计know-how，例如受专利保护的Strip Cell，其好处是能用平面栅结构实现更低的比电阻，性能能够和沟槽栅媲美；其制造难度也低很多，可以保证良率和可靠性，产品成本也不会增加。
他补充说：“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。”
据东芝电子元件（上海）有限公司分立器件技术部副总监屈兴国介绍，目前东芝的碳化硅仍采用平面工艺，因为它在技术上更加稳定。“当然，也有一些竞品的沟槽工艺做的比较好，但从具体测试参数来看，还是平面工艺更有优势。”不过，东芝也在开发沟槽工艺，目前来看，东芝的第三代产品、第四代产品仍定位于平面工艺，第四代以后的产品会考虑沟槽工艺。
他指出：“沟槽的主要问题在于量产的管控，现在碳化硅遇到最大问题还是良率，这种新材料的物理性能和电气性能都比较难以驾驭。碳化硅的沟槽结构和以前传统的硅沟槽完全是两个概念，还需要时间进行探索。”
三菱电机功率器件制作所首席技术顾问Gourab Majumdar博士在上海接受采访时表示，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。
他解释道，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。
新型沟槽栅采用的自研技术
三菱电机半导体大中国区总经理赤田智史补充说：“我们目前的第二代产品是采用4H-碳化硅平面技术。现在到2025年将累计增加投资20亿美元，重点研发沟槽栅MOSFET技术和高压碳化硅MOSFET技术，同时扩大产能。”
纳微半导体高级技术营销总监祝锦认为，平面型碳化硅用得比较多，特别是电动汽车主驱应用，好处是良率比较高，成本相对较低，晶圆一致性较好。不足之处是开关转换速度没有沟槽型碳化硅快，同时单位晶圆面积偏大。而沟槽型牺牲了碳化硅的温度特性，在175℃高温和低温情况下，导通电阻相差2倍以上。
他表示：“从生产工艺角度讲，沟槽栅非常难做，良率不高，成本高，一致性也有挑战。其最致命的问题是栅极特性，因为沟槽是垂直的，沟槽刻蚀拐点会受到较大电压场强，所以栅极抗电场强度能力偏弱，短路电流能力也偏弱。”
据了解，纳微收购的GeneSiC的产品采用平面型导通沟道，也兼顾了沟槽概念——沟槽辅助平面结构，结合了平面和沟槽的优点。其独有的IP和专利不仅不会增加成本，还可以使碳化硅的特性达到最优，生产效率和良率比较高，每片晶圆的一致性也比较好。相比其他碳化硅产品，其运行最高温度低25℃，寿命延长3倍之多。此外，已公布的100%耐雪崩测试中其耐受能力最高，短路耐受时间延长30%，稳定的栅极阈值电压便于并联控制。
平面碳化硅MOSFET的路还没走完
Yole Intelligence认为，在器件层面，平面和沟槽型碳化硅晶体管将在市场上共存。两者的选择取决于每个玩家的策略和目标应用。对于MOSFET来说，平面技术在高击穿电压下具有更好的性价比；沟槽技术在更低击穿电压下效率更高。
Wolfspeed较早的一份资料也提到其Gen 3碳化硅MOSFET已经达到平面设计的实际性能极限，下一代产品将是沟槽栅设计，目前Wolfspeed的Gen 4沟槽栅仍在开发中。
尽管已去世的Wolfspeed联合创始人兼首席技术官John Palmour博士在1992年就申请了开创性专利，描述了垂直沟槽栅极碳化硅MOSFET结构，他生前还是表示：“平面栅碳化硅MOSFET技术优势还远未耗尽。”
Gourab Majumdar博士也说：“在低压领域沟槽栅技术的挑战已基本克服，2024年车用碳化硅模块就会用沟槽栅技术来实现。”因为低压和高压芯片的主要区别是厚度。低压芯片中主要的电阻构成是沟道电阻和JFET电阻，所以有必要引入沟槽栅技术来降低总导通电阻。高压芯片的导通电阻主要是漂移电阻（Rdrip），当然也可以采用沟槽栅来做，但没有太大必要，因为用平面栅就可以实现低导通电阻。
国内碳化硅沟槽刚刚起步
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，产品也已占据市场。国内2014年才开始第一代和第二代平面MOSFET研发，2018年第一片国产6英寸碳化硅MOSFET晶圆诞生，2020年我国第一个量产碳化硅MOSFET投产。
国内在碳化硅沟槽器件的研究上仍处于起步阶段，亟需建立碳化硅沟槽器件IP体系，培养结构设计与全套工艺能力，以突破日美欧第三代沟槽型MOSFET方面的专利封锁，尽快缩短与国际大厂的差距，赢得未来十年碳化硅赛道竞争的入场券。
