近年來，隨著科技的不斷進(jìn)步，半導(dǎo)體技術(shù)作為現(xiàn)代信息技術(shù)的基石，其發(fā)展速度日新月異。在這一領(lǐng)域，碳化硅（SiC）作為第三代半導(dǎo)體材料的代表，因其獨(dú)特的物理和化學(xué)特性，在電力電子、光電子、射頻電子等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。近日，國(guó)家第三代半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心（南京）宣布成功攻關(guān)溝槽型碳化硅MOSFET芯片制造關(guān)鍵技術(shù)，這不僅標(biāo)志著我國(guó)在半導(dǎo)體高端制造領(lǐng)域取得了重大突破，也為新能源汽車、智能電網(wǎng)、光伏儲(chǔ)能等產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供了新的動(dòng)力。

一、碳化硅材料的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

碳化硅，作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有高臨界擊穿電場(chǎng)、高電子飽和遷移速率和高導(dǎo)熱率等優(yōu)良特性。這些特性使得碳化硅器件在高溫、高頻、高功率等極端條件下表現(xiàn)出色，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的硅基器件。特別是在電力電子領(lǐng)域，碳化硅功率器件的應(yīng)用可以顯著提升能效、減小體積、降低重量，對(duì)于新能源汽車、智能電網(wǎng)等行業(yè)的節(jié)能減排具有重要意義。

然而，盡管碳化硅材料優(yōu)勢(shì)明顯，但其制造工藝的復(fù)雜性一直是制約其商業(yè)化應(yīng)用的瓶頸。在碳化硅MOSFET芯片領(lǐng)域，目前業(yè)內(nèi)應(yīng)用主要以平面型結(jié)構(gòu)為主。平面型碳化硅MOSFET結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單，元胞一致性較好，雪崩能量較高，但其缺點(diǎn)也較為明顯：當(dāng)電流被限制在靠近P體區(qū)域的狹窄N區(qū)中流過時(shí)，會(huì)產(chǎn)生JFET效應(yīng)，增加通態(tài)電阻，且寄生電容較大。這些缺點(diǎn)限制了平面型碳化硅MOSFET在高性能應(yīng)用中的表現(xiàn)。

二、溝槽型碳化硅MOSFET的優(yōu)勢(shì)與難點(diǎn)

溝槽型碳化硅MOSFET作為一種新興的結(jié)構(gòu)，通過將柵極埋入基體中形成垂直溝道，顯著提升了器件的性能。具體而言，溝槽型結(jié)構(gòu)可以增加元胞密度，消除JFET效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)最佳的溝道遷移率，從而顯著降低導(dǎo)通電阻。此外，溝槽型結(jié)構(gòu)還能實(shí)現(xiàn)更高的晶圓密度，有助于降低芯片使用成本。

然而，溝槽型碳化硅MOSFET的制造工藝遠(yuǎn)比平面型復(fù)雜。由于碳化硅材料硬度極高，要在其表面精確開槽而不損傷材料性能，對(duì)刻蝕工藝的精度、穩(wěn)定性和表面質(zhì)量提出了極高的要求。此外，溝槽型結(jié)構(gòu)的元胞一致性較差，雪崩能量較低，也是其需要克服的技術(shù)難點(diǎn)。

三、我國(guó)首次突破的技術(shù)細(xì)節(jié)

國(guó)家第三代半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心（南京）歷經(jīng)四年自主研發(fā)，成功攻克了溝槽型碳化硅MOSFET芯片制造的關(guān)鍵技術(shù)難題。這一突破不僅打破了平面型碳化硅MOSFET芯片性能的“天花板”，也標(biāo)志著我國(guó)在半導(dǎo)體高端制造領(lǐng)域邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

據(jù)該中心技術(shù)總監(jiān)黃潤(rùn)華介紹，關(guān)鍵在于工藝上的創(chuàng)新。碳化硅材料的高硬度要求刻蝕工藝必須達(dá)到極高的精度和穩(wěn)定性，不能出現(xiàn)“坑坑洼洼”的現(xiàn)象。為此，南京中心組織了一支由核心研發(fā)團(tuán)隊(duì)和全線配合團(tuán)隊(duì)組成的精英隊(duì)伍，不斷嘗試新工藝，最終建立了全新的工藝流程。這一流程成功突破了“挖坑”難、穩(wěn)、準(zhǔn)等難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了溝槽結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)制備。

通過新工藝的應(yīng)用，南京中心成功制造出了溝槽型碳化硅MOSFET芯片，其導(dǎo)通性能較平面型提升了約30%。這一成果不僅顯著提升了器件的性能指標(biāo)，還大大降低了芯片的使用成本，為溝槽型碳化硅MOSFET芯片的商業(yè)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

四、溝槽型碳化硅MOSFET的應(yīng)用前景

溝槽型碳化硅MOSFET的成功研發(fā)，將為新能源汽車、智能電網(wǎng)、光伏儲(chǔ)能等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供新的動(dòng)力。以新能源汽車為例，碳化硅功率器件相比傳統(tǒng)硅器件具有顯著的省電優(yōu)勢(shì)，可提升續(xù)航能力約5%。而應(yīng)用溝槽結(jié)構(gòu)后，更是可以實(shí)現(xiàn)更低電阻的設(shè)計(jì)，從而在保持導(dǎo)通性能指標(biāo)不變的情況下，實(shí)現(xiàn)更高密度的芯片布局，進(jìn)一步降低芯片使用成本。這對(duì)于提升新能源汽車的續(xù)航能力、減輕車輛重量、降低能耗具有重要意義。

在智能電網(wǎng)領(lǐng)域，溝槽型碳化硅MOSFET的應(yīng)用可以提升電力電子設(shè)備的效率和可靠性，有助于構(gòu)建更加智能、高效、可靠的電網(wǎng)系統(tǒng)。在光伏儲(chǔ)能領(lǐng)域，碳化硅功率器件的高效轉(zhuǎn)換能力可以降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量損耗，提高儲(chǔ)能效率，促進(jìn)可再生能源的廣泛應(yīng)用。

五、國(guó)內(nèi)外碳化硅溝槽器件研究現(xiàn)狀

從全球市場(chǎng)來看，國(guó)外在碳化硅溝槽器件的研究上起步較早，幾家龍頭企業(yè)如羅姆、英飛凌、日本電裝、住友電工等已逐步建立起專利壁壘，產(chǎn)品逐步導(dǎo)入市場(chǎng)。例如，羅姆自2018年推出先進(jìn)的車規(guī)級(jí)溝槽型碳化硅MOSFET以來，不斷迭代升級(jí)，2020年更是開發(fā)出了第四代溝槽結(jié)構(gòu)MOSFFT，進(jìn)一步降低了導(dǎo)通電阻。英飛凌則直接選擇了溝槽結(jié)構(gòu)作為其主要產(chǎn)品方向，其第三代碳化硅MOSFET采用先進(jìn)的溝槽結(jié)構(gòu)，具有更低的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。

相比之下，國(guó)內(nèi)在碳化硅溝槽器件的研究上仍處于起步階段。盡管近年來我國(guó)企業(yè)在6英寸、8英寸碳化硅上發(fā)力，不斷縮小與國(guó)際大廠的差距，但在溝槽型碳化硅MOSFET芯片制造技術(shù)上仍面臨諸多挑戰(zhàn)。南京中心的這一突破無疑為我國(guó)在這一領(lǐng)域的發(fā)展注入了新的活力，也為后續(xù)的研發(fā)工作奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

六、未來展望

隨著新能源汽車、智能電網(wǎng)、光伏儲(chǔ)能等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)高性能半導(dǎo)體器件的需求日益迫切。溝槽型碳化硅MOSFET作為新一代高性能功率器件的代表，其市場(chǎng)前景廣闊。南京中心的成功突破不僅為我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展貢獻(xiàn)了力量，也為后續(xù)的技術(shù)研發(fā)和市場(chǎng)推廣奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

未來，南京中心將繼續(xù)深化在碳化硅溝槽器件領(lǐng)域的研究工作，不斷推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品升級(jí)。同時(shí)，加強(qiáng)與國(guó)內(nèi)外同行的交流合作，共同推動(dòng)碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大。我們有理由相信，在不久的將來，我國(guó)將在碳化硅半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更多突破，為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)更多中國(guó)智慧和力量。

結(jié)語

國(guó)家第三代半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心（南京）成功突破溝槽型碳化硅MOSFET芯片制造技術(shù)，不僅是我國(guó)在半導(dǎo)體高端制造領(lǐng)域的一次重大飛躍，也是全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程中的一個(gè)重要里程碑。這一突破不僅提升了我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，也為新能源汽車、智能電網(wǎng)、光伏儲(chǔ)能等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供了新的動(dòng)力。我們有理由相信，在未來的發(fā)展中，我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)保持強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭，為全球科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。