平面栅(DMOS)与沟槽栅(UMOS)是SiC MOSFET的两大主流技术路线,沟槽栅在导通损耗上具备显著优势,但其栅氧化层可靠性是跨越车规验证的核心壁垒。目前罗姆(Rohm)与英飞凌(Infineon)已量产沟槽栅产品,而Cree(Wolfspeed)、意法半导体(ST)与安森美(ON)仍以平面栅为主,国内厂商则大多停留在二极管环节,Mos管领域尚属蓝海。
结构差异与性能对比
碳化硅MOSFET应用之初与IGBT类似,采用平面结构,随着技术演进逐步向沟槽结构过渡。参考IGBT的发展历史,沟槽型被视为终极目标。以罗姆官方公布的代际数据为例,其第二代平面栅(DMOS)与第三代沟槽栅(UMOS)在导通电阻面积(RonA)上存在明显代差:
| 结构 | 平面栅(2G) | 沟槽栅(3G) |
|---|---|---|
| 1200V RonA | 8.2 mΩ·cm² | 4.1 mΩ·cm² |
| 650V RonA | 6.5 mΩ·cm² | 3.1 mΩ·cm² |
从数据可见,沟槽栅在1200V与650V两个电压等级下,RonA均实现了约50%的降幅,意味着导通损耗大幅降低。这正是沟槽结构在性能上的核心吸引力。
可靠性壁垒与厂商路线分化
沟槽栅的劣势在于可靠性。由于沟槽结构会使栅氧化层变得脆弱,能否达到车规级要求,取决于工艺的进步程度。英飞凌声称其结构与其他厂商不同并已完成多项可靠性测试,但考虑到其在IGBT领域虽是王者,在碳化硅领域却是后来者,且碳化硅封装难度远大于IGBT,仍需参考车厂的最终验证。
当前技术路线呈现明显分化:罗姆与英飞凌选择沟槽路线,Cree、意法、安森美则仍以平面栅为主,但业界普遍预期后者也将逐步转向沟槽。对于国内厂商而言,碳化硅Mos管工艺门槛极高,大部分企业只能生产二极管产品,二极管市场已成红海,而Mos管市场因长期由国外品牌主导,属于增量蓝海。
常见问题
沟槽栅SiC MOSFET一定比平面栅更好吗?
沟槽栅在导通损耗上优势明显,但可靠性风险更高。两者是性能与稳健性的权衡,最终能否大规模应用取决于车规验证结果,并非简单的优劣关系。
国内厂商在SiC MOSFET领域处于什么阶段?
国内企业重心仍以IGBT为主,碳化硅方面大部分只能完成二极管制造与模块封装,Mos管工艺尚未突破。碳化硅模块出货量较大的比亚迪、斯达等,晶片也主要采购自意法、博世或Cree。
碳化硅降本的关键是什么?
晶圆尺寸是重要因素。目前碳化硅主流仍为6寸线,Cree的8寸线尚在扩产。以5×5mm的Die尺寸估算,8寸晶圆产出约1033颗,12寸可达2461颗,更大尺寸晶圆是解决产能与降本的核心路径。