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给SiC“挖坑”,国产有机会吗?

最新更新时间:2024-06-18
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在Si IGBT和Si MOSFET时代,沟槽栅结构的设计比平面栅结构具有明显的性能优势。而到了SiC时代,这个祖传“挖坑”的手艺却开始有了风险。想要做出沟槽型SiC MOSFET,就要先克服各种难题。

因此,现在SiC MOSFET在业界分化成两派:一派更为激进地推进沟槽型SiC MOSFET,主要玩家包括罗姆和英飞凌,一派更为保守地追求平面型SiC MOSFET,玩家主要包括意法半导体、安森美和Wolfspeed。
去年,保守派的安森美宣布他们于2024年发布的M4T MOSFET将是他们的第一代沟槽 MOSFET,眼看产品即将面世。相比之下,意法半导体致力于至少在接下来的两代产品中采用平面设计器件,并布局沟槽器件,或许2025年正式开启沟槽元年。
可以说,是平面型,还是沟槽型,业界的激烈争论永不休止。虽然如此,但厂商却在SiC MOSFET的规划中,又“老老实实”把沟槽器件当作最终目标。在这背后,国产是否也有机会?
付斌|作者
电子工程世界(ID:EEWorldbbs)|出品

挖坑提升性能

SiC功率器件研究要追溯到上世纪80年底啊,自从2001年Infineon推出第一款商业SiC二极管 以来,SiC器件的研究已经得到了极大的发展。
目前,SiC二极管(PiN、SBD、JBS)和SiC MOSFET应用最广泛,产业化成熟度最高,SiC IGBT和GTO等器件由于技术难度更大,仍处于研发阶段,距离产业化有较大的差距。
随着SiC功率器件逐渐演进,平面型的SiC MOSFET已经达到缩小MOS元胞尺寸而无法降低导通电阻的程度,即便采用更小的光刻尺寸,单位面积的导通电阻也很难降到2mΩ · cm2以下。
换句话说就是平面型SiC MOSFET有瓶颈,因此,沟槽型开始成为二极管和MOSFET的重点。
与Si类似,沟槽型SiC可以构建更深的P型掩蔽,大大减小了反向阻断时结位置的电场强度,从而降低二极管的漏电流,提高了器件的热稳定性;此外,它将导电沟道从水平的晶面转移到了表面电子迁移率更高的竖直晶面,消除JFET区域,使器件导通电阻更低,减小了导通损耗,因此沟槽型SiC MOSFET具有更高的单元密度,极低的寄生电感和更快的开关速度。
简单来说,沟槽型的SiC MOSFET的设计更紧凑,使得关键的金属氧化物半导体 (MOS) 接口能够垂直定向而不是横向定向,从而实现更低电阻的设计。
不过,既然这么强,为啥还会有厂商激进,有厂商保守?这是因为在SiC MOSFET面前,还存在工艺和应用两大的障碍。
一是槽角处容易高漏极电压下造成栅氧化层迅速击穿,同时对恶劣环境静电效应及电路高压尖峰耐受能力差;二是SiC MOSFET应用本就多在高压高频大电流领域,电路中寄生参数产生尖峰毛刺,造成瞬时过压或开关损耗,此外沟槽SiC MOSFET不具备抗浪涌电压自抑制能力和过压保护能力,需要在实际应用中设计复杂缓冲电路、浪涌电压抑制电路和过压保护电路,更多的外部电路导致过压保护延迟加大,同时实际开关过程依然容易被击穿,引起器件可靠性问题;三是离子注入深度有限,导致很多针对性的沟槽栅极保护结构和抗浪涌设计从工艺上难以实现。
简单解释起来,就是SiC本身的问题和复杂的外部电路导致可靠性容易出问题,同时也不太好制造。
总之,想要激进推进,就要更多的投入,功率半导体领域一直是一个很卷的领域,投入能不能换来回报,这便要看厂商自己的抉择。

巨头在怎么挖?

纵观历史上对于沟槽型SiC MOSFET的研究,主要围绕降低了沟槽底部氧化层电场强度进行研究:
  • 2012年,日本Rohm公司提出使用双沟槽结构,采用P型基区采用深槽刻蚀和离子注入的方法形成深P+区,用以保护栅极氧化层的电场。该器件耐压达1.26kV,比导通电阻达到1.41mΩ·cm2;
  • 2012年,日本高技术研究院(AIST)的Okumura在Rohm公司提出的双沟槽的结构的基础上,栅极沟槽底部注入P+区域。注入的P区降低了氧化层的电场,其击穿电压达到3.3kV,比导通电阻达到7mΩ·cm2;
  • 2016年,日本AIST研究所开发高能注入工艺,在器件源区进行高能离子注入,加强P阱区域对于沟槽底部保护,制备得到的器件击穿电压达到3.8kV,比导通电阻仅为9.4mΩ·cm2;
  • 2017年,Infineon发布SiC MOSFET产品CoolSiC,该结构以牺牲一半沟道宽度的条件下,通过深注入P+区域更好的保护栅氧,使其不受到高电 场的影响提高了器件的可靠性;
  • 2018年,瀚薪公司将肖特基二极管集成到MOSFET结构中代替原有PiN体二极管,提高了器件体二极管导通能力,避免了少子复合而造成 的产生基平面缺陷的风险。
随着技术的成熟,国内外产业界已逐步形成5中流派的沟槽型SiC MOSFET器件:
  • 罗姆:采用双沟槽结构,该结构同时具有源极沟槽和栅极沟槽。第一二代SiC MOSFET都采用了平面栅极设计,2015年率先推出量产双沟槽结构的第3代产品,2021年推出最新的第四代SiC MOSFET,进一步改进了双沟槽结构,预计2025年和2028年推出的第五代和第六代产品的导通电阻会再降低30%;
  • 英飞凌:采用不对称的半包沟槽结构,该结构中MOS沟道选择了最有利的方向。英飞凌与罗姆几乎是目前业界唯二量产上车的沟槽型SiC MOSFET,2016年推出第一代CoolSiC系列SiC MOSFET,2022年更新第二代产品,比第一代增强了25%~30%的载电流能力;
  • 富士:采用P阱覆盖沟槽底部沟槽底部的栅极氧化物的结构,时减小了cell pitch并优化了MOS沟道长度及JFET区域;
  • 三菱:采用独特电场限制结构,在垂直沟槽方向注入铝元素,使沟槽底部形成电场限制层,再通过其新技术斜向注入铝,形成连接电场场限制层和源极的侧接地,并斜向注入氮元素,再局部形成更容易导电的高浓度掺杂层,此前三菱报道了6.5kV/45A的SiC MOSFET器件;
  • 瀚薪:提出一种结势垒肖特基二极管集成碳化硅MOSFET,将DMOS和结势垒肖特基二极管(JBS)合并到单片SiC器件中,分别在n+/p+区形成欧姆接触,在漂移层形成肖特基接触,在MOSFET的有源区形成嵌入JBS。
除此之外,瑞萨、Qorvo(UnitedSiC)、DENSO、Wolfspeed(Cree)等厂商也在积极布局开发并申请相关专利。
不过,规模量产沟槽型SiC MOSFET的厂商,只有两家:日本Rohm采用在栅极沟槽两侧构造源极双沟槽结构屏蔽中间的栅极沟槽底部,德国Infineon采用“P+ 半包裹的非对称沟槽结构”。

国内发展如何

目前,国内对于SiC平面器件技术研究投入了很大精力,在沟槽型SiC MOSFET方面则主要在起步阶段。
国内2014年才正式开始第一代和第二代平面MOSFET的研发,目前刚实现小批量应用。在第三代沟槽型SiC MOSFET方面面临日美和欧洲的专利封锁,并且在第四代与第五代沟槽MOSFET 器件IP、结构设计与全套工艺环节存在很大的差距。具体来看:
  • 三安的沟槽型SiC MOSFET产品时间节点是2025年Q1;
  • 中车的第四代沟槽型SiC MOSFET产品时间节点是2025年,同时布局最新的第五代"多级沟槽P+"电场掩蔽技术,预计第五代沟槽型SiC MOSFET产品时间节点是2027年;
  • 安海半导体据悉在2022年成为国内第一家量产Trench MOS的企业,目前申请的Trench SiC MOSFET 结构专利已获批,美国专利正在申请中;
  • 据公众号“ 碳化硅芯片学习笔记 ”称,各大国产厂商都在积极布局沟槽型SiC MOSFET。
沟槽型到底赚不赚钱?Yole发布的信息显示,平面MOSFET公司在利润丰厚的动力传动系统逆变器业务中取得了更大的成功,而罗姆和英飞凌则在低功率车载充电器市场上获得了业务。不过,这存在一定的争议,因为本身高功率传动系统的逆变器还是以Si器件为主导,转移到SiC本身就是一种大胆的举措,更别说采用哪种器件了。
当然,现在SiC那么卷,产能布局那么多,属于是“僧多肉少”,沟槽型SiC MOSFET无疑更具效率和成本,这也是英飞凌和罗姆的成功所在,因而占据了碳化硅MOSFET市场32%的份额。
国内沟槽型SiC MOSFET的挑战还是很多的。一方面,现在日美企业已经申请了足够多的专利,同时还在不断加强专利布局,可以说,国内厂商要面临很高的专利墙。另一方面,英飞凌和罗姆的成功也离不开在器件iP、结构设计与核心工艺环节的布局,而国内则缺乏相关的能力,因此沟槽MOSFET成套工艺及结构IP,可能是未来十年碳化硅Fab竞争的入场券。
总之,无论是国内还是国外,2025年都是一个关键时间点,那时候开始,第四代、第五代沟槽型SiC MOSFET的竞争,可能会正式打响。


参考文献

[1] 瑞能半导体:高性能高可靠性 SiC MOSFET的关键设计与优化.https://www.ween-semi.com/sites/default/files/2022-03/%E9%AB%98%E6%80%A7%E8%83%BD%E9%AB%98%E5%8F%AF%E9%9D%A0%E6%80%A7%20SiC%20MOSFET%E7%9A%84%E5%85%B3%E9%94%AE%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E4%B8%8E%E4%BC%98%E5%8C%96.pdf
[2] 雅时化合物半导体:新刊发布|九峰山实验室正式发布《下一代碳化硅沟槽器件技术》首篇报告.2023.9.6. https://mp.weixin.qq.com/s/3WdH6hMkS0r2PhrAHtk0ng
[3] 盛况, 任娜, 徐弘毅. 碳化硅功率器件技术综述与展望[J]. 中国电机工程学报, 2020, 40(6): 1741-1753
[4] Carbontech:平面型 OR 沟槽型,行业谁具有话语权?碳化硅(SiC)MOSFET的未来发展方向.2022.9.16. https://mp.weixin.qq.com/s/f-QfOW-Q1sV_NUqYs7BqeQ
[5] 电子发烧友网:首次量产至今8年时间,沟槽栅SiC MOSFET的发展现状如何?.2023.3.18. https://mp.weixin.qq.com/s/O41ztPB9EzgweGWosubaEg
[6] 功率器件显微镜:SiC MOSFET结构大盘点,获取IEEE宽禁带器件技术路线图.2022.1.18. https://mp.weixin.qq.com/s/bN3dAtK-vZdcoUM6b3iCyw
[7] 碳化硅芯片学习笔记:英飞凌, Rohm, 三安,中车的碳化硅沟槽MOSFET 2023年roadmap新进展.2023.12.2. https://mp.weixin.qq.com/s/H1H2q4Xijdwg9MUuRUjU4g
[8] 半导体行业观察:SiC,全民“挖坑”.2024.1.10. https://mp.weixin.qq.com/s/PEABwlXaZRRoaCUSntTsaA
[9] 行家说三代半:良率90%!国产沟槽SiC MOSFET功率密度领先国际企业20%.2023.2.27. https://mp.weixin.qq.com/s/RH5bVQwSXHAWGyQI1N-qCg
[10] 碳化硅芯片学习笔记:国内三个千亿级大厂都要做SiC "包角沟槽"MOSFET?.2023.6.18. https://mp.weixin.qq.com/s/CdtojQJLUHz6IsoBePWfsg



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