國家隊加持，芯片制造關(guān)鍵技術(shù)首次突破

據南京發(fā)布近日消息，國家第三代半導體技術(shù)創(chuàng )新中心（南京）歷時(shí)4年自主研發(fā)，成功攻關(guān)溝槽型碳化硅MOSFET芯片制造關(guān)鍵技術(shù)，打破平面型碳化硅MOSFET芯片性能“天花板”。據悉這是我國在這一領(lǐng)域的首次突破。

公開(kāi)資料顯示，碳化硅是第三代半導體材料的主要代表之一，具有寬禁帶、高臨界擊穿電場(chǎng)、高電子飽和遷移速率和高導熱率等優(yōu)良特性。碳化硅MOS主要有平面結構和溝槽結構兩種結構。目前業(yè)內應用主要以平面型碳化硅MOSFET芯片為主。

平面碳化硅MOS結構的特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，元胞一致性較好、雪崩能量比較高；缺點(diǎn)是當電流被限制在靠近P體區域的狹窄N區中，流過(guò)時(shí)會(huì )產(chǎn)生JFET效應，增加通態(tài)電阻，且寄生電容較大。

平面型與溝槽型碳化硅MOSFET技術(shù)對比
來(lái)源：頭部大廠(chǎng)結構圖

溝槽型結構是將柵極埋入基體中，形成垂直溝道，特點(diǎn)是可以增加元胞密度，沒(méi)有JFET效應，溝道晶面可實(shí)現最佳的溝道遷移率，導通電阻比平面結構明顯降低；缺點(diǎn)是由于要開(kāi)溝槽，工藝更加復雜，且元胞的一致性較差，雪崩能量比較低。

“關(guān)鍵就在工藝上?！眹业谌雽w技術(shù)創(chuàng )新中心（南京）技術(shù)總監黃潤華介紹，碳化硅材料硬度非常高，改平面為溝槽，就意味著(zhù)要在材料上“挖坑”，且不能“挖”得“坑坑洼洼”的。在制備過(guò)程中，刻蝕工藝的刻蝕精度、刻蝕損傷以及刻蝕表面殘留物均對碳化硅器件的研制和性能有致命影響。

對此，國家第三代半導體技術(shù)創(chuàng )新中心（南京）組織核心研發(fā)團隊和全線(xiàn)配合團隊，歷時(shí)4年，不斷嘗試新工藝，最終建立全新工藝流程，突破“挖坑”難、穩、準等難點(diǎn)，成功制造出溝槽型碳化硅MOSFET芯片，較平面型提升導通性能30%左右，目前中心正在進(jìn)行溝槽型碳化硅MOSFET芯片產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，推出溝槽型的碳化硅功率器件，預計一年內可在新能源汽車(chē)電驅動(dòng)、智能電網(wǎng)、光伏儲能等領(lǐng)域投入應用。

該突破對我們的生活和半導體產(chǎn)業(yè)有何加持作用呢？黃潤華以新能源汽車(chē)舉例介紹，碳化硅功率器件本身相比硅器件具備省電優(yōu)勢，可提升續航能力約5%；應用溝槽結構后，可實(shí)現更低電阻的設計。在導通性能指標不變的情況下，則可實(shí)現更高密度的芯片布局，從而降低芯片使用成本。

生產(chǎn)一代、研發(fā)一代、預研一代，目前國家第三代半導體技術(shù)創(chuàng )新中心（南京）已啟動(dòng)碳化硅超級結器件研究，“這個(gè)結構的性能，比溝槽型結構更優(yōu)更強，目前還在研發(fā)?！秉S潤華透露。

國際大廠(chǎng)深耕溝槽型碳化硅MOSFET芯片

溝槽型碳化硅MOSFET芯片研究在國際上勢頭紅火，羅姆、英飛凌、日本電裝、日本住友、安森美、三菱電機功率器件制作在溝槽型碳化硅MOSFET芯片制造技術(shù)上也有著(zhù)較強優(yōu)勢。

羅姆

公開(kāi)資料顯示，羅姆是率先轉向溝槽MOSFET的公司，2018年羅姆推出先進(jìn)的車(chē)規級溝槽型碳化硅MOSFET。2020年羅姆開(kāi)發(fā)出第四代溝槽結構MOSFFT，通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)自創(chuàng )的雙溝槽結構，改善了EV牽引逆變器等應用所需的短路耐受時(shí)間，與第三代相比，在不犧牲短路耐受時(shí)間的情況下將導通電阻降低約40%，為業(yè)內最低。目前，羅姆在還在開(kāi)發(fā)第五代溝槽技術(shù)。

圖片來(lái)源：羅姆

據羅姆官方表示，溝槽MOS結構是在外延層中形成溝槽（溝槽MOS）并用多晶硅填充的結構，這種結構可以緩和電場(chǎng)集中，從而可以降低外延層的電阻率，在正向施加時(shí)VF更低。另外，當反向施加時(shí)，可以緩和電場(chǎng)集中現象，從而實(shí)現更低的IR。

英飛凌

英飛凌并沒(méi)有選擇進(jìn)入平面結構市場(chǎng)，而是直接選擇了溝槽結構，其產(chǎn)品定位于高端市場(chǎng)。

英飛凌的溝槽設計方式與眾不同，屬于半包溝槽結構，如下圖。每個(gè)溝槽的一側都有一個(gè)通道，另一側被深P+注入覆蓋，如下面所顯示，是英飛凌的SiC MOSFET的設計示意圖。具體來(lái)看，英飛凌的CoolSiC?MOSFET包含一個(gè)獨特的非對稱(chēng)溝槽結構：在溝槽側壁的左側，它包含與平面對齊的MOS通道，以?xún)?yōu)化通道的移動(dòng)性；在溝槽側壁右側，溝槽底部的很大一部分嵌入到p+阱中，p+阱延伸到溝槽底部以下，從而減小了離態(tài)臨界電場(chǎng)，起到了體二極管的作用。

英飛凌的SiC MOSFET的設計示意圖
來(lái)源：英飛凌

2016年，英飛凌推出第一代CoolSiC系列碳化硅MOSFET，并在2022年更新了第二代產(chǎn)品，相比第一代增強了25%-30%的載流能力，其第三代碳化硅MOSFET采用先進(jìn)的溝槽結構，具有更低的導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，提高了能效。

日本電裝

2023年3月31日，電裝（DENSO）宣布已開(kāi)發(fā)出首款采用碳化硅(SiC)半導體的逆變器。該逆變器集成在由BluE Nexus Corporation開(kāi)發(fā)的電動(dòng)驅動(dòng)模塊eAxle中，將用于新款雷克薩斯RZ，這是該汽車(chē)制造的首款專(zhuān)用電池電動(dòng)汽車(chē)(BEV)車(chē)型。DENSO將其SiC技術(shù)稱(chēng)為“REVOSIC”。

電裝的溝槽柵結構來(lái)源：電裝

DENSO獨特的溝槽型MOS結構采用DENSO專(zhuān)利電場(chǎng)緩和技術(shù)的溝槽柵極半導體器件，提高了每個(gè)芯片的輸出，因為它們減少了由發(fā)熱引起的功率損耗，獨特的結構實(shí)現了高電壓和低導通電阻操作。

住友電工

住友電工利用獨特的晶面新開(kāi)發(fā)了V形槽溝槽金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管(VMOSFET)。VMOSFET具有高效率、高阻斷電壓、惡劣環(huán)境下的高穩定性等優(yōu)越特性，實(shí)現了大電流（單芯片200A），適用于電動(dòng)汽車(chē)（EV）和混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）。公開(kāi)資料顯示，住友電工正在與國家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所合作開(kāi)發(fā)具有世界最低導通電阻的下一代VMOSFET。

安森美

安森美在碳化硅MOSFET的溝槽結構尚在開(kāi)發(fā)中，目前其積累了約20份相關(guān)專(zhuān)利。今年上半年安森美發(fā)布的最新產(chǎn)品為M3S，是第二代1200V SiC MOSFET，依舊延續的是延續平面型結構。據悉，下一代M4將會(huì )升級為溝槽結構，降低SiC MOSFET芯片面積的同時(shí)，成本也將顯著(zhù)得到優(yōu)化。安森美中國區汽車(chē)市場(chǎng)技術(shù)應用負責人、碳化硅首席專(zhuān)家吳桐博士此前在采訪(fǎng)中表示，安森美有很多溝槽型樣品在進(jìn)行內部測試，問(wèn)題在于，過(guò)早地推出溝槽柵產(chǎn)品在可靠性方面會(huì )有一定風(fēng)險。所以，公司正在對認為有風(fēng)險的點(diǎn)進(jìn)行測試和可靠性?xún)?yōu)化，提升溝槽柵的利用率。

三菱電機

2019年，三菱電機開(kāi)發(fā)出一種溝槽的SiC MOSFET，為了解決溝槽型的柵極絕緣膜在高電壓下的斷裂問(wèn)題，三菱電機基于在結構設計階段進(jìn)行的先進(jìn)模擬，開(kāi)發(fā)了一種獨特的電場(chǎng)限制結構，將應用于柵絕緣薄膜的電場(chǎng)減小到常規平面型水平，使柵絕緣薄膜在高電壓下獲得更高的可靠性。

三菱電機的新型溝槽型SiC-MOSFET三維結構
示意圖來(lái)源：三菱電機

三菱電機功率器件制作所首席技術(shù)顧問(wèn)Gourab Majumdar博士此前在接受電力電子網(wǎng)采訪(fǎng)時(shí)候曾表示，碳化硅路線(xiàn)將來(lái)要用到兩個(gè)新技術(shù)，在1200V以下是溝槽柵碳化硅MOSFET，3.3kV以上將采用把肖特基二極管（SBD）集成在MOSFET中的平面柵碳化硅MOSFET技術(shù)。

他表示三菱電機的新型溝槽柵采用三個(gè)自研技術(shù)：一是傾斜離子注入技術(shù)（tilted ion implantation technology），以改進(jìn)芯片的可生產(chǎn)性；二是Grounded p+BPW（底部P井），在柵極底部“p+”的地方用BPW技術(shù)減少柵氧層的電場(chǎng)強度，使芯片具有更高的可靠性；三是在縱向溝道中采用n+JFET摻雜技術(shù)，使芯片整體損耗比傳統平面柵降低50%以上。

從全球市場(chǎng)看，國外碳化硅溝槽器件的研究較早，幾家龍頭企業(yè)已逐步建立起專(zhuān)利壁壘，產(chǎn)品逐步導入市場(chǎng)；國內目前在碳化硅溝槽器件的研究上仍處于起步階段，大部分廠(chǎng)商仍以平面碳化硅MOS結構為主。近年來(lái)我國企業(yè)在6英寸、8英寸碳化硅上發(fā)力，不斷縮小與國際大廠(chǎng)差距，未來(lái)也將在碳化硅溝槽器件有所突破，以期在碳化硅賽道上實(shí)現彎道超車(chē)。