笔记：平面SiC MOSFET与沟槽型（Trench）SiC MOSFET的综合对比分析

平面SiC MOSFET与沟槽型（Trench）SiC MOSFET的综合对比分析，涵盖工艺、性能、技术难点、国内外现状及未来趋势：

一、结构与工艺对比

1. 平面结构（Planar）

• 工艺特点：栅极位于表面，通过横向沟道导通，工艺步骤相对简单，元胞一致性好，适合大规模制造。

• 核心问题：存在JFET效应（N区夹于两个P体区之间），导致导通电阻增加；寄生电容较大，开关速度受限。

• 成本构成：衬底成本占比约38%，外延和封装成本次之，良率控制是关键挑战。

2. 沟槽结构（Trench）

• 工艺特点：栅极嵌入垂直沟槽内，形成纵向导电通道，需高精度刻蚀技术（如ICP-RIE）以实现光滑且垂直的侧壁。

• 核心问题：沟槽底部电场强度高，易引发局部击穿；栅氧层厚度不均匀，可靠性风险大。

• 工艺创新：英飞凌非对称沟槽、罗姆双沟槽结构通过优化电场分布降低风险。

二、性能优劣势对比

三、技术难点与挑战

1. 平面结构

• JFET效应：需通过元胞设计优化（如缩小P体间距）降低电阻，但可能牺牲耐压能力。

• 栅氧界面缺陷：SiC/SiO₂界面缺陷密度高，易导致阈值电压漂移，需严格筛选工艺。

2. 沟槽结构

• 刻蚀工艺：SiC材料硬度高，刻蚀需兼顾垂直度与表面粗糙度，避免微管缺陷。

• 栅氧可靠性：沟槽底部电场强度可达平面结构的2-3倍，需引入缓冲层或耗尽层设计分散电场。

• 良率控制：大尺寸芯片（如10mm×10mm）的缺陷密度直接影响良率，需优化衬底与外延质量。

四、国内外发展现状

1. 国际厂商

• 平面结构：意法半导体、Wolfspeed主导，已实现650V-1700V产品量产，应用于新能源汽车主驱逆变器。

• 沟槽结构：英飞凌、罗姆等通过专利技术（如非对称沟槽）实现商业化，性能接近平面结构极限。

2. 国内厂商

• 平面结构：芯粤能、斯达半导体等已量产1200V产品，良率达90%以上，但主驱应用仍依赖进口。

• 沟槽结构：芯粤能、三安光电等进入试制阶段，良率接近平面工艺，预计2025年量产。

• 衬底与外延：天岳先进、天科合达6英寸衬底量产，8英寸处于研发阶段，良率（50%）低于国际水平（85%）。

五、未来发展趋势

1. 工艺优化

• 平面结构：通过薄晶圆、高密度元胞设计进一步降低导通电阻（如安森美M3e系列管芯体积减少60%）。

• 沟槽结构：开发100%沟槽利用率设计，提升电流密度，同时引入保护性p层降低电场强度。

2. 成本下降

• 8英寸晶圆普及：Wolfspeed已量产8英寸衬底，国内厂商加速布局，预计2025年后成本与Si基IGBT持平。

• 缺陷控制：通过AI检测、外延工艺优化提升良率，降低器件单价。

3. 应用拓展

• 新能源汽车：从OBC向主驱逆变器渗透，国产SiC MOSFET预计2025年规模上车。

• 光伏与储能：高频、高效需求推动沟槽结构在逆变器中的占比提升。

4. 技术路线共存

• 短期内平面结构仍为主流（可靠性高、成本低），沟槽结构在高端领域逐步替代；长期看，沟槽技术将主导高频、高压场景。

总结

平面SiC MOSFET凭借成熟的工艺和可靠性占据当前市场主流，而沟槽结构通过低损耗、高频特性成为未来发展方向。国内外厂商在衬底、工艺及可靠性上的差距正在缩小，但核心专利（如沟槽设计）仍由国际巨头把控。随着8英寸晶圆量产和缺陷控制技术突破，SiC MOSFET将在新能源领域加速替代硅基器件，推动电力电子系统向高效、紧凑化演进。

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