个中提到，SIC MOSFET的发展趋势有四个方向：更小的元胞尺寸，更低的比导通阻，更低的开关损耗，更好的栅氧保护，提高器件的性能和可靠性。并重点强调说：长期来看，沟槽型该当会成为碳化硅MOSFET的主流技能路线。
平面型 OR 沟槽型？
SiC MOSFET 是最为成熟、运用最广的SiC功率开关器件，具有高开关速率、低损耗和耐高温等优点，被认为是替代硅IGBT的最佳选择。
SiC材料可以通过热氧化工艺在表面成长氧化层，因此SiC MOSFET可基本沿用硅基功率MOSFET的制备工艺。
然而由于SiC/SiO2界面处存在大量的陷阱电荷和界面电荷，使得SiC MOSFET的沟道迁移率较低，进而使器件的导通电阻增加。
同时，SiC的临界击穿电场强度更高且介电常数是SiO2的2.5倍，随意马虎涌现由于SiO2内电场强度过高而引发器件失落效等可靠性问题。
因此，必须优化设计SiC MOSFET的元胞构造和终端构造，同时深入研究栅氧介质的形成工艺。
SiC功率MOSFET常日采取平面构造或者沟槽构造，在650~3300 V电压范围内已形成成熟的产品技能。
SiC MOSFET平面构造：特点是工艺大略，单元的同等性较好，雪崩能量比较高。但是，这种构造的中间，N区夹在两个P区域之间，当电流被限定在靠近P体区域的狭窄的N区中流过期，将产生JFET效应，从而增加通态电阻；同时，这种构造的寄生电容也较大。
SiC MOSFET沟槽构造：是将栅极埋入基体中形成垂直沟道，只管其工艺繁芜，单元同等性比平面构造差。但是，沟槽构造可以增加单元密度，没有JFET效应，寄生电容更小，开关速率快，开关损耗非常低；而且，通过选取得当沟道晶面以及优化设计的构造，可以实现最佳的沟道迁移率，明显降落导通电阻，因此，新一代SiC MOSFET紧张研究和采取这种构造。
SiC功率MOSFET器件构造
目前，SiC MOSFET沟道迁移率低的问题仍旧比较突出，对付中低压器件（650~1700 V）沟道电阻占总导通电阻的比例较高。
市场上这两种构造运用比较范例的是罗姆和英飞凌科采取沟槽构造SiC MOSFET，沟槽型没有结型场效应晶体管（JFET）区，具有更高的沟道密度，同时沟道所在SiC晶面具有较高的沟道迁移率，因此能够实现更低的比导通电阻。
而Cree和意法半导体两家公司采取平面构造SiC MOSFET，通过优化器件的构造设计，实现了性能和可靠性俱佳的产品技能，得到了广泛的运用。
五巨子的选择
意法半导体
深挖平面潜力，布局沟槽
根据意法半导体在近期财报中透露的最新数据，截止2022财年第1季度，公司碳化硅产品已经在75个客户的98个项目中送样测试，个中工业运用和电动汽车运用各占一半。是碳化硅器件当之无愧的龙头。
亮眼的背后也可以看到意法在碳化硅研发上连续投入相称资源。在生产技能上，意法于2021年年中宣告其挪威分部STMicroelectronics Silicon Carbide A.B. （前身为2019年收购的Norstel A.B.）开始进行8寸碳化硅材料的实验室制造，估量相应技能将在2025年前后成熟，并运用到方案中的新加坡8寸碳化硅生产线中。
在芯片设计上意法连续深挖平面设计碳化硅MOSFET的技能潜力，推出了第4代平面栅碳化硅，并在今年第二季度量产。而之前方案的沟槽栅设计产品则顺延成为意法的第5代碳化硅MOSFET，目前该当在工程样品测试阶段，量产韶光待定。
比较上一代产品，第4代平面栅碳化硅的性能有所进步，包括导通电阻减少15%，事情频率增加一倍至1MHz。
英飞凌
半包沟槽构造保10年竞争上风
此前，英飞凌对外宣告目前已有的碳化硅订单使得2022财年来自碳化硅产品的收入超过去年近一倍，冲击3亿欧元。预测到2025年前后碳化硅功率器件产品线可以为公司带来10亿美元旁边的营收。目前已经开始英飞凌贡献碳化硅产品营收的客户包括当代集团，其Ioniq 5电动紧凑型休旅车采取纬湃科技Vitesco供应的800V逆变器，内部利用的碳化硅模块即来自英飞凌。与此同时，英飞凌还是小鹏汽车的碳化硅模块的紧张供应商，用于旗舰SUV车型G9中，估量今年第3季度起正式交付。
英飞凌的半包沟槽构造是业界不多的几个能够量产上车的碳化硅沟槽构造设计（其他还包括罗姆的双沟槽和住友的接地双掩埋构造等）——按照"大众年夜众号“碳化硅芯片学习条记”作者的说法，“沟槽MOS成套工艺及构造IP，是未来十年碳化硅竞争的入场券！
”
英飞凌CoolSiC™ MOSFET采取了不对称的沟槽构造，该构造中MOS沟道选择了最有利的方向。从图中看到，参杂毗邻沟槽中的区域是不对称的，沟槽的左侧壁包含了MOS沟道，它被对准到a-plane面，以实现最佳的沟道迁移率。沟槽底部的大部分被嵌入到沟槽底部下方的p型区域中。
这个p型区域有三个紧张的电气功能：
尽可能减小P-body区和源极的连接电阻形成一个高效的P型发射器，使体二极管作为快速续流二极监工作保护沟槽角落的栅极氧化层免受漏极偏压引起的过高电场的影响这种MOSFET构造具有对付栅源电容CGS来说小比例的米勒电容CGD。CGS相对较大，由于沟槽的很大一部分贡献了它，即沟槽两侧的n+型区域和所有与源相连的p型区域。这使得开关掌握良好，动态损耗非常低。特殊是，该特性对付抑制利用半桥的拓扑中寄生导通引起的不肯望的额外损耗至关主要。
从图中的Cell构造可以看出也支持足够的短路能力。由相邻的p型发射极区域形成的JFET区域不仅有利于限定沟道拐角处的氧化场，而且通过调度p型区域之间的间隔来降落器件的饱和电流。较小的间隔使沟槽角栅氧化层中较低的饱和电流和较低的场，但由于JFET会导致总体导通电阻的额外增加。
Wolfspeed
平面栅SiC MOSFET的技能上风远未耗尽
6月27日，德国媒体Elektroniknet发布了一篇采访Wolfspeed联合创始人John Palmour博士的文章。
宣布称，John Palmour从一开始就致力于碳化硅二极管和MOSFET的开拓，作为Wolfspeed的CTO，他认为平面栅SiC MOSFET的技能上风远未耗尽。
据01芯闻公众年夜众号作者表示，Wolfspeed累积的Design-in金额在87亿美元这个惊人的水平，个中包括大众集团“未来汽车供应路线（FAST）”操持和通用汽车奥腾能平台项目。其余，市场也传言戴姆勒集团和奥迪的下一代E-tron车型也选择了Wolfspeed的产品。
Wolfspeed的碳化硅MOSFET采取平面设计，目前处于第3代（Gen 3），涵盖650V到1200V之间的多个电压规格。与之前两代产品比较，Gen 3 平面MOSFET采取六边形晶胞微不雅观设计，650V Gen 3和1200V Gen 3+的单位面积导通电阻分别为2.3 mΩ·cm2和2.7 mΩ·cm2，较上一代Strip Cell减少了16%。
Wolfspeed Gen 3碳化硅MOSFET采取Hex Cell的平面技能
（来源：Wolfspeed）
一份较早的资料中Wolfspeed提到其Gen 3碳化硅MOSFET已经到达了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 沟槽栅仍在开拓中，详细量产韶光还没有透露。
罗姆
第四代双沟槽将成为主力
罗姆在碳化硅上的布局不可谓不大，据公开，罗姆目前已经方案在2021年至2025年的5年间，投入1200亿至1700亿日元（10亿-13亿美元）的资金，将碳化硅产能扩充至少6倍。
管理层预测2025财年碳化硅产品营收将超过1000亿日元（7.7亿美元），而目前已挖掘出来的市场机会则超过8400亿日元（65亿美元）。
在碳化硅器件技能方面罗姆也处于领先地位。2010 年公司就开始量产首款碳化硅MOSFET，与之后推出的第2代产品都采取平面栅极设计。2015年罗姆又领先竞争对手，率先量产双沟槽构造的第3代产品。
罗姆的碳化硅MOSFET技能路线图
（来源：Rohm）
ROHM公司开拓出了双沟槽MOSFET构造
该构造同时具有源极沟槽和栅极沟槽
宽禁带器件的一个问题是：在反向偏置过程中，在栅极氧化物处有更高的电场。为了利用碳化硅的高击穿能力，缓解栅极氧化物处的电场是必要的。罗姆为了改进这一问题，在源极沟槽的底部采取具有p型区域的双沟槽构造，它比栅极沟槽的底部更深。
单沟槽和双沟槽的仿真结果中，双沟槽构造的沟槽底部电场浓度更低，这种构造防止了对栅极沟槽处的氧化层毁坏。通过引入上述沟槽构造，成功地降落了电场，从而提高了器件性能。
2020 年罗姆推出了针对电动汽车优化的第 4 代 1200V碳化硅MOSFET，第4代产品得到了更好的FOM（品质因数，Figure of Merit）。罗姆预测第4代碳化硅MOSFET从今年起在其发卖构成中的占比逐渐增加，直至2024-2025年景为发卖主力。
安森美
沟槽型产品已积累20份干系专利
据悉，安森美与客户签订的未来三年长期供应协议（LTSA）总金额已达到26亿美元，个中有超过20亿美元来自电动汽车动力总成对碳化硅模块的需求，包括蔚来汽车和特斯拉。
安森美的第1代碳化硅MOSFET技能（M1）采取平面设计，耐压等级为1200V。之后从中衍生出900V和750V耐压的规格，微不雅观构造也改为Hex Cell设计，这两个改动相叠加使得碳化硅MOSFET的导通电阻降落了35%旁边。目前安森美推出的大部分碳化硅产品均基于M1与其衍生出的M2平台。
目前最新的一代碳化硅技能（M3）仍旧采取平面技能，但是改为Strip Cell设计，导通性能较上一代衍生版本再提高了16%。这一代产品将逐渐成为公司的主力车规碳化硅平台，在电压规格上覆盖电动汽车主流的400V和800V平台。
安森美的下一代技能平台M4则会从平面构造升级为沟槽构造，目前已积累了大约20份干系专利。与初代碳化硅技能比较，在相同载电流的哀求下可以减少相称的芯片面积。
安森美的碳化硅技能持续进步，功率密度、散热能力和本钱不断优化
一定要做沟槽？
对付Si IGBT或者Si MOSFET，沟槽栅构造的设计比较于平面栅构造具有明显的性能上风，但是对付SiC MOSFET来说，目前这种上风不再显著。
根据高斯定理，SiC MOSFET中栅极SiO2表面承受的电场强度约是其对应的SiC表面电场强度的2.5倍，由于碳化硅材料以高临界击穿电场强度著称（约为硅材料的10倍），以是SiC MOSFET中栅极SiO2承受的电场强度极高，比Si MOSFET/IGBT中栅极SiO2承受的电场强度高一个数量级。
因此，SiC MOSFET 栅极氧化层的可靠性面临严重的寻衅。沟槽栅SiC MOSFET设计中的栅氧可靠性问题更加严重，由于靠近90°的沟槽栅拐角进一步加剧了电力线的集中，此处的栅氧层极易被击穿。
办理栅极氧化层可靠性问题是目前所有的沟槽栅SiC MOSFET构造设计必须首先办理的问题，已有技能路线是设计额外的JFET区，通过其耗尽区的“夹断”来屏蔽保护中间的栅极氧化层，减少沟槽栅拐角位置氧化层承受的电应力，但这同时也引入了很大的JFET电阻，导通电阻因此显著增加。
瑞能曾在对外的资料上比拟了公司平面型SiC MOSFET以及两款市场上主流的平面型和沟槽型SiC MOSFET的紧张性能，通过比较可以创造，现阶段的沟槽型SiC MOSFET与高性能的平面型SiC MOSFET比较，性能上风并不明显。
反而平面型SiC MOSFET由于具备天然的可靠性上风，更随意马虎被市场认可。当然，如果未来栅极介质层的可靠性问题得到彻底办理，更紧凑的沟槽型SiC MOSFET仍旧具有巨大的发展潜力。
在那篇对Wolfspeed联合创始人John Palmour博士采访的文章里，有一个问题问说：”在过去的几年里，有很多人说你们也会开拓沟槽栅SiC MOSFET，什么时候上市？“
John Palmour说：”我们先看看市场的格局。市场上最大的2家供应商Wolfspeed和意法半导体都是供应平面SiC MOSFET，由于它们有更好的导通电阻，这是关键性能指标。
只要我们在导通电阻方面远远领先沟槽SiC MOSFET，我认为没有情由改变这一点。何况我们还将连续改进平面SiC MOSFET。
客户不应该关心它是平面MOSFET还是沟槽MOSFET，主要的是特定导通电阻。事实上，我们也不在乎哪种技能路线，我们只关注哪种设计能给客户带来最大的利益。“
简而言之，平面构造还有深挖的空间，海内企业深耕平面型，做好可靠性，也一样有市场！
本文参考：01芯闻 《西线无战事，碳化硅五巨子的硝烟》
Bodos功率系统《高性能高可靠性SiC MOSFET的关键设计与优化》
