【導讀】羅姆今年發布了他們的第4代（Gen4）金氧半場效晶體管（MOSFET）產品。新係列包括額定電壓為750 V（從650 V提升至750 V）和1200 V的金氧半場效晶體管，以及多個可用的TO247封裝元件，其汽車級合格認證達56A/24mΩ。這一陣容表明羅姆將繼續瞄準他們之前取得成功的車載充電器市場。

Stephen Russell博士（TechInsights）與Peter Gammon教授（PGC）合作

羅姆今年發布了他們的第4代（Gen4）金氧半場效晶體管（MOSFET）產品。新係列包括額定電壓為750 V（從650 V提升至750 V）和1200 V的金氧半場效晶體管，以及多個可用的TO247封裝元件
，其汽車級合格認證達56A/24mΩ。這一陣容表明羅姆將繼續瞄準他們之前取得成功的車載充電器市場。

在產品發布聲明中
，羅姆聲稱其第4代產品“通過進一步改進原有的雙溝槽結構，在不影響短路耐受時間的情況下
，使單位麵積導通電阻比傳統產品降低40%。”他們還表示，“此外，顯著降低寄生電容使得開關損耗比我們的上一代碳化矽金氧半場效晶體管降低50%成為可能”。

TechInsights僅用數周就迅速采購並剖析了羅姆第4代金氧半場效晶體管，並於2022年7月公布了首批圖像。從那時起，PGC一直致力於提供相關器件的電氣數據，這些數據與剖麵圖結合

，有助於我們理解羅姆在溝槽工藝技術方麵取得的進步。

屆時，TechInsights訂戶將獲得有關該設備的穩健性、可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)數(shu)據(ju)表(biao)範(fan)圍(wei)外(wai)特(te)性(xing)檢(jian)測(ce)的(de)全(quan)麵(mian)分(fen)析(xi)。在(zai)本(ben)文(wen)中(zhong)，我(wo)們(men)將(jiang)公(gong)開(kai)一(yi)些(xie)具(ju)有(you)啟(qi)發(fa)性(xing)的(de)早(zao)期(qi)分(fen)析(xi)
，以(yi)便(bian)驗(yan)證(zheng)羅(luo)姆(mu)的(de)上(shang)述(shu)聲(sheng)明(ming)
，並(bing)理(li)解(jie)其(qi)所(suo)做(zuo)的(de)改(gai)進(jin)。

溝槽式金氧半場效晶體管基礎知識

傳統的“平麵”jinyangbanchangxiaojingtiguandezhajihegoudaoqushezhizaibandaotibiaomian。pingmianjinyangbanchangxiaojingtiguanyiyuzhizaoqiefeichangkekao。danzaijianxiaoxinpianchicunyitigaochanliangdeguochengzhong，qihengxiangtuopujiegouxianzhilezuizhongsuoxiaofanwei。

圖1：碳化矽金氧半場效晶體管設計示意圖
，圖中顯示了羅姆（第3代）和英飛淩的典型平麵結構和溝槽式設計。

goucaoshijinyangbanchangxiaojingtiguanbaokuogoucaobianyuanxingchengbingyibeishikezaitanhuaguibiaomiandezhaji。goucaozhajiyongyuzhizaodidianzuqijian，zhunquedishuo，shidibidaotongdianzu（Ronsp，電阻x麵積）。如能降低Ronsp
，則芯片製造商能縮小芯片尺寸，從而實現RDSon=15 mOhm的產品，這能降低碳化矽用量，從而提高產量。

溝槽式金氧半場效晶體管的較低Ronsp背(bei)後(hou)有(you)多(duo)種(zhong)原(yuan)因(yin)。首(shou)先(xian)，在(zai)碳(tan)化(hua)矽(gui)溝(gou)槽(cao)側(ce)壁(bi)上(shang)製(zhi)備(bei)的(de)柵(zha)極(ji)具(ju)有(you)更(geng)高(gao)的(de)溝(gou)道(dao)遷(qian)移(yi)率(lv)
，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)與(yu)平(ping)麵(mian)器(qi)件(jian)相(xiang)比(bi)
，電(dian)子(zi)穿(chuan)過(guo)溝(gou)槽(cao)柵(zha)極(ji)的(de)阻(zu)礙(ai)較(jiao)少(shao)。這(zhe)能(neng)降(jiang)低(di)溝(gou)道(dao)電(dian)阻(zu)。其(qi)次(ci)

，溝(gou)槽(cao)式(shi)金(jin)氧(yang)半(ban)場(chang)效(xiao)晶(jing)體(ti)管(guan)可(ke)能(neng)消(xiao)除(chu)平(ping)麵(mian)金(jin)氧(yang)半(ban)場(chang)效(xiao)晶(jing)體(ti)管(guan)的(de)JFET電阻，在該區域中
，來自兩個溝道的電流被擠壓到p體觸點之間的狹窄通道中。但正如我們將看到的那樣，實用、務實的設計可能導致再次引入一個類似JFET的區域。第三
，與平麵柵極的數量相比，垂直溝槽柵極密度應當更大，從而減小單元間距並增大電流密度。

但要小心其中的陷阱。溝槽式金氧半場效晶體管可能難以優化以實現可靠、穩健的運行。特別地，成功的設計必須解決在盡量增大器件頂部碳化矽高電場（比矽高9倍）的de同tong時shi保bao護hu同tong樣yang位wei於yu器qi件jian頂ding部bu的de精jing密mi柵zha極ji氧yang化hua物wu免mian受shou該gai電dian場chang影ying響xiang的de問wen題ti。維wei持chi這zhe種zhong平ping衡heng需xu要yao巧qiao妙miao但dan複fu雜za的de器qi件jian布bu局ju，否fou則ze漂piao移yi區qu需xu要yao嚴yan重zhong降jiang額e，從cong而er侵qin蝕shi溝gou槽cao架jia構gou的de增zeng益yi。因yin此ci，溝gou槽cao式shi金jin氧yang半ban場chang效xiao晶jing體ti管guan的de一yi個ge缺que點dian是shi它ta們men的de設she計ji更geng複fu雜za

，通tong常chang需xu要yao更geng多duo的de製zhi造zao步bu驟zhou
，其qi中zhong一yi些xie步bu驟zhou可ke能neng具ju有you特te殊shu的de複fu雜za性xing——深度高能注入（英飛淩）或深溝槽蝕刻（羅姆第4代器件）。

羅姆和英飛淩的溝槽設計

羅姆和英飛淩率先轉向溝槽式金氧半場效晶體管，但采用了截然不同的設計。羅姆第3代的TechInsights剖麵圖如圖2所示，以及圖1中的卡通形式。羅姆選擇了更傳統的設計，即每個柵極溝槽的每側都有溝道，並利用每一側的虛擬溝槽，其中，通過深P型注入保護柵極溝槽。英飛淩讓每條溝槽都物盡其用！每條溝槽的一側均有一條溝道，另一側被深P+注入所覆蓋，以防高電場影響柵極氧化物。這種布局使溝槽的溝道側與4°離軸碳化矽晶體完美對齊；這是一種降低電阻的巧妙技巧。

圖3zhongzhidezhuyideshi，meigeyouyuanzhajigoucaozhijiandelianggefeiyouyuanyuanjigoucao，tamenyukuantidianjichudianyitongxingchenglegoucaoqijiandekuandanyuanjianju。dancongpingmiantuzhongkandaogaishebeishi，zhegemingxianlangfeixinpianmianjidebujuyouqicunzaideyiyi。butongyuchuantongdejinzaiyigeweidushangkuayueqijiandezhajitiao，zhekuandi3daiqijiandebujujuyoucongshangdaoxiahecongzuodaoyouyanshendezhaji，congerchuangjianleyigeqiaomiaodeerweizhajiwangge，shidanweimianjineidezhajimidujihufanbei。zhezaigainianshangleisiyuWolfspeed的六邊形布局，該布局將柵極密度增加了約1.3倍。

然而

，在羅姆最新的第4代產品發布前，這兩款溝槽器件均無法擁有低於一流平麵雙擴散型場效應晶體管的Ronsp。第3代設計的另一個問題在於，源極溝槽能為柵極提供多少保護，使其免受高電場的影響
？

圖2：羅姆的第3代碳化矽金氧半場效晶體管（來源：TechInsights）

羅姆的第4代碳化矽金氧半場效晶體管

在TechInsights快速采購並剖析了羅姆的新型第4代碳化矽金氧半場效晶體管後，下圖顯示了TechInsights為新型第4代器件製作的高分辨率電鏡圖。

圖3：羅姆的新型第4代碳化矽金氧半場效晶體管（來源：TechInsights）

第4代器件與第3代器件有部分相似之處，也有一些明顯差異。

相xiang似si之zhi處chu在zai於yu羅luo姆mu采cai用yong傳chuan統tong的de溝gou槽cao式shi金jin氧yang半ban場chang效xiao晶jing體ti管guan設she計ji方fang法fa，在zai柵zha極ji溝gou槽cao的de兩liang個ge側ce壁bi上shang均jun有you溝gou道dao。然ran而er
，現xian在zai每mei個ge柵zha極ji溝gou槽cao的de兩liang側ce均jun有you一yi個ge接jie地di的de源yuan極ji溝gou槽cao，它ta延yan伸shen至zhi漂piao移yi區qu的de深shen度du為wei第di3代的兩倍。正如我們所解釋的那樣，這是關鍵的設計特征，羅姆巧妙地利用它來更好地保護柵極氧化物和降低電阻。

每個柵極溝槽的單個虛擬/源極溝槽使單元間距能減小3倍。這標誌著羅姆在第3代(dai)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)新(xin)型(xing)單(dan)元(yuan)布(bu)局(ju)的(de)終(zhong)結(jie)，但(dan)這(zhe)種(zhong)布(bu)局(ju)幾(ji)乎(hu)使(shi)柵(zha)極(ji)密(mi)度(du)增(zeng)加(jia)了(le)一(yi)倍(bei)


，有(you)利(li)於(yu)傳(chuan)統(tong)的(de)一(yi)維(wei)條(tiao)形(xing)布(bu)局(ju)。總(zong)之(zhi)

，這(zhe)代(dai)表(biao)每(mei)單(dan)位(wei)麵(mian)積(ji)的(de)柵(zha)極(ji)溝(gou)槽(cao)密(mi)度(du)淨(jing)增(zeng)加(jia)50%（至少），這有助於進一步降低困擾其他器件的溝道電阻問題，在我們之前展示的650V平麵金氧半場效晶體管串聯電阻中，該電阻可能會貢獻達30%。

電阻的另一主要貢獻者為襯底電阻，也在這一代器件中首次被減薄，從而大大減少了該元件電阻。

審查羅姆對其第4代器件的聲明

使用PGC提供的各式最先進的電氣表征設備，結合Techinsights的分析，我們審查了羅姆對這些器件的多項聲明。我們直接比較了新型第4代650V羅姆金氧半場效晶體管、第3代金氧半場效晶體管和一流的平麵碳化矽金氧半場效晶體管，它們具有相似的Rdson額定值。

首先是損耗。羅姆在圖中的第一項聲明為，他們將導通損耗降低了40%，從而實現了等效的芯片尺寸縮減。事實上，根據TechInsights公布的剖麵圖
，我們可以確認芯片有源區域的比導通電阻（Ron×A）幾乎比上一代產品低40%，盡管實際上器件的必要非有源區域會略微降低這一增益。更進一步而言
，新的Ronsp也比我們描述的一流平麵器件小20%。正如我們之前所討論的那樣，這是一個至關重要的進步，因為它能縮小芯片尺寸
，從而提高產量並降低成本。

圖4：羅姆的第4代器件具有更低的Ronsp、Coss和Crss（來源：羅姆）

圖tu中zhong的de第di二er個ge聲sheng明ming為wei
，因yin為wei各ge個ge密mi勒le電dian容rong的de降jiang低di
，所suo以yi開kai關guan損sun耗hao將jiang會hui降jiang低di。事shi實shi上shang，雖sui然ran我wo們men比bi較jiao的de芯xin片pian的de測ce試shi結jie果guo與yu之zhi並bing不bu完wan全quan匹pi配pei
，但dan我wo們men可ke以yi確que認renCrss（在額定電壓下）降低了約90%，而且Coss也有所降低，具體取決於電壓。我們正在開展自己的開關基準測試。

羅姆提出的一項聲明涉及將額定電壓範圍從650 V提高至750 V。羅姆表示：“750 V擊穿電壓可確保設計裕度不受VDS浪湧影響”。我們發現這是一個正在席卷整個行業的有趣發展。然而，實際上，在靜態條件下測試的新型第4代器件的實際擊穿電壓約為1000 V

，實際低於在超過1200 V時擊穿的第3代器件。新型第4代器件與一流的平麵器件不相上下。結合他們關於裕度的說法和實際數據，這的確令人印象深刻。他們允許以75%的實際擊穿電壓下使用該器件
，該數據高於第3代的50%以上
，這表明第4代的可靠性大幅提高。正如我們將在下一節中解釋的那樣，這種降額的減少是一個很大的改進，可以在一定程度上降低電阻。

圖5：盡管額定擊穿電壓有所增加
，但測得的真實擊穿電壓顯示第4代要小於第3代。這表明漂移區降額顯著降低。

PGC實驗室將很快對第4代(dai)器(qi)件(jian)開(kai)展(zhan)短(duan)路(lu)測(ce)試(shi)，但(dan)羅(luo)姆(mu)的(de)第(di)三(san)個(ge)有(you)趣(qu)的(de)說(shuo)法(fa)是(shi)，盡(jin)管(guan)縮(suo)減(jian)了(le)芯(xin)片(pian)尺(chi)寸(cun)並(bing)增(zeng)大(da)了(le)電(dian)流(liu)密(mi)度(du)，但(dan)實(shi)質(zhi)增(zeng)加(jia)了(le)器(qi)件(jian)的(de)短(duan)路(lu)耐(nai)受(shou)時(shi)間(jian)。如(ru)果(guo)他(ta)們(men)所(suo)言(yan)不(bu)虛(xu)，考(kao)慮(lv)到(dao)降(jiang)額(e)減(jian)少(shao)
，這(zhe)進(jin)一(yi)步(bu)證(zheng)明(ming)羅(luo)姆(mu)在(zai)其(qi)器(qi)件(jian)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)穩(wen)健(jian)性(xing)方(fang)麵(mian)邁(mai)出(chu)了(le)一(yi)大(da)步(bu)。

圖6：據稱羅姆的第4代器件增加了短路耐受時間，同時降低了Ronsp（來源：羅姆）

總之，羅姆第4代器件的強勁表現有力回應了對早期碳化矽溝槽器件的諸多批評。但這一切究竟如何實現？

第101條規則：保護柵極氧化層

下圖為PGC對新型第4代設計的圖解複製。圖中並未考慮縮減間距，而是強調了柵極周圍的變化。

圖7：PGC展示的新型第4代羅姆器件

，其中電場線展示如何保護柵極氧化層。

關(guan)於(yu)金(jin)氧(yang)半(ban)場(chang)效(xiao)晶(jing)體(ti)管(guan)設(she)計(ji)，尤(you)其(qi)是(shi)碳(tan)化(hua)矽(gui)溝(gou)槽(cao)式(shi)金(jin)氧(yang)半(ban)場(chang)效(xiao)晶(jing)體(ti)管(guan)的(de)設(she)計(ji)，主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)在(zai)器(qi)件(jian)處(chu)於(yu)關(guan)斷(duan)狀(zhuang)態(tai)時(shi)保(bao)護(hu)柵(zha)極(ji)氧(yang)化(hua)層(ceng)，阻(zu)斷(duan)大(da)電(dian)壓(ya)。器(qi)件(jian)表(biao)麵(mian)此(ci)時(shi)存(cun)在(zai)高(gao)電(dian)場(chang)，如(ru)果(guo)與(yu)柵(zha)極(ji)氧(yang)化(hua)層(ceng)重(zhong)合(he)，會(hui)引(yin)起(qi)柵(zha)極(ji)泄(xie)漏(lou)並(bing)導(dao)致(zhi)可(ke)靠(kao)性(xing)問(wen)題(ti)。在(zai)第(di)3代器件中，源極溝槽與柵極溝槽深度相同，因而其下方的P+注入僅比柵極溝槽本身深一點。因此
，圖中所示的電場線（可以想象為正在膨脹的氣球的外緣）圍繞溝槽拐角彎曲，並能更輕易地與柵極溝槽的底部相互作用。

相反，羅姆的新型第4代器件的源極溝槽被注入到源極溝槽側壁和底部的P+區域包圍，位置更深。這將保護柵極的p-n結向下推入漂移區，遠離其保護的柵極氧化物。如第4代器件圖所示，峰值電場線（氣球的外緣）遠離柵極氧化物。

柵極保護的收益

柵極獲得了更好的保護，那又怎樣
？好吧
，假如沒有采取相對的柵極保護措施，如第3代器件

，則需要采取措施來確保電場永遠不會達到足以損壞柵極的數值。因此，支持阻斷電壓的漂移區被過度設計（實際已降額
，參見關於該主題的我的文章），以支持超過應用所需的電壓。試著回想一下
，可用於400 V電動汽車的650 V第3代器件的擊穿電壓超過了1200 V。雖然這確保能長期安全運行
，但代價是漂移區的電阻隨著它能支持的電壓呈指數上升（Rdr∝ V^2.28）.

因此，通過更好地保護柵極，第4代器件需要的降額更少。我們測量的擊穿電壓為1000 V
，比第3代降低了20%以上，因此漂移區電阻可能降低了40%以上。這似乎在TechInsights提供的剖麵圖中得到證實，新器件具有類似的漂移區寬度，盡管圖7所示的深溝槽使其進一步變薄。此外，我們預計漂移區的摻雜將增加，從而進一步降低電阻。

有效的柵極氧化物保護也能提高可靠性。具體而言，這將解釋為何羅姆建議的柵極氧化層短路耐受時間從最小值4.5 µs增加到5.5 µs。在短路故障期間，支持最高電場的器件區域通常會達到最高溫度。如果該位置離柵極更遠，則柵極燒壞的時間將隨之增加。

另一個巧妙的技巧：是時候往碳化矽超結結構前進
？

學術界對碳化矽超結結構的探討已持續了十年或更長時間，最近一次由我的研究小組提出。我們利用7 µm深的溝槽，並在其側壁上注入P，從而提出了一種1700 V碳化矽超結器件。

羅姆的器件不是超結結構器件，它們的p型內襯溝槽隻占我們提出的器件的一小部分，但我們懷疑超結結構原理能在柵極溝槽下方的區域起作用。畢竟擠壓在兩個P柱之間的狹窄的n摻雜區會顯著增加器件的JFET電阻。但我們懷疑該區域中的n型摻雜區將高於漂移區

，利用超結結構的電荷平衡原理（下次講解）在不破壞電場阻斷能力的情況下增加摻雜。

要點和結論

公平地說，這個設計讓我們感到非常興奮；它似乎是一種發揮碳化矽潛力的溝槽式碳化矽設計。根據該設計，我們得知羅姆已經找到了一種方法，利用其深溝槽設計來同時：

•將單元間距減少三倍，顯著降低了溝道電阻；

•保護柵極氧化物，提高可靠性，減少漂移區降額
，從而降低其電阻
；

•大幅降低襯底電阻；

•引入JFET區（負麵影響），但可能通過超結結構/電荷平衡原理降低其影響。

雖然目前隻有英飛淩和羅姆的溝槽器件可用
，但博世（Bosch）緊jin隨sui其qi後hou，而er且qie其qi他ta集ji成cheng器qi件jian製zhi造zao商shang也ye可ke能neng效xiao仿fang
，以yi獲huo取qu潛qian在zai的de產chan量liang和he成cheng本ben優you勢shi。該gai技ji術shu的de實shi效xiao將jiang通tong過guo普pu及ji率lv得de到dao驗yan證zheng。我wo們men或huo許xu可ke以yi期qi待dai更geng多duo的de電dian動dong汽qi車che原yuan始shi設she備bei製zhi造zao商shang和he一yi級ji供gong應ying商shang在zai其qi車che載zai充chong電dian器qi中zhong采cai用yong該gai技ji術shu，甚shen至zhi可ke能neng在zai以yi平ping麵mian器qi件jian為wei主zhu的de動dong力li傳chuan動dong係xi統tong逆ni變bian器qi中zhong采cai用yong該gai技ji術shu。

Peter Gammon教授在碳化矽電力電子器件的設計、製造和測試方麵擁有15年的工作經驗。他不僅是PGC的創始人
，還是華威大學的電力電子器件專業教授。他領導了額定電壓從1200 V到15 kV不等的定製功率器件（絕緣柵雙極型晶體管
、金氧半場效晶體管和二極管）研發項目
，涉及電動汽車
、航天
、工業機械和電網。他已發表了80多篇論文和3項專利，其工作成果已廣泛應用於整個碳化矽行業。

TechInsights以yi支zhi持chi促cu進jin創chuang新xin的de公gong平ping市shi場chang為wei榮rong，該gai市shi場chang能neng創chuang造zao電dian子zi知zhi識shi產chan權quan並bing實shi現xian貨huo幣bi化hua
，以yi推tui動dong現xian實shi世shi界jie發fa展zhan。我wo們men致zhi力li於yu引yin領ling全quan球qiu微wei電dian子zi逆ni向xiang工gong程cheng
，並bing打da造zao半ban導dao體ti行xing業ye內nei容rong平ping台tai。

Stephen Russell博士在寬禁帶（WBG）器件製造和表征方麵有超過15年的從業經驗。他於2013年獲得格拉斯哥大學電子工程博士學位，專業研究金剛石場效應晶體管，之後前往華威大學研發3.3 kV和10 kV碳化矽器件。他憑借論文《碳化矽功率金剛石場效應晶體管的高溫電老化和熱老化性能及應用注意事項》贏得《電氣與電子工程師協會彙刊電力電子學卷》2018年最佳論文獎。自2018年進入業界以來，他領導了新型矽絕緣柵雙極型晶體管產品線研發，並發起了一個在電路保護應用中使用碳化矽JFET的研發項目。他於2020年加入TechInsights並成為功率半導體器件的學科專家
，同時持續了解整個行業的最新發展。

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