核心摘要

碳化硅(SiC)作為第三代半導(dǎo)體的核心材料，正在電動(dòng)汽車(EV)、可再生能源和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域引發(fā)一場(chǎng)深刻的革命。其卓越的高電壓、高頻率和高溫性能，使得功率電子系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)前所未有的效率和功率密度。然而，在釋放SiC巨大潛力的同時(shí)，我們必須正視其核心技術(shù)挑戰(zhàn)——柵極氧化層(Gate Oxide, GOX)的可靠性。對(duì)于尋求長(zhǎng)期投資回報(bào)和穩(wěn)定產(chǎn)品供應(yīng)的投資者與客戶而言，理解這一風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。

派恩杰本報(bào)告旨在深入淺出地分析SiC MOSFET中的柵氧可靠性問題，重點(diǎn)對(duì)比兩種主流技術(shù)路線——平面柵(Planar Gate)和溝槽柵(Trench Gate)，并揭示當(dāng)前電動(dòng)汽車市場(chǎng)的技術(shù)選擇格局。

核心觀點(diǎn)：

柵氧是SiC MOSFET的“阿喀琉斯之踵”

SiC材料與工藝的固有特性，使其柵氧化層的缺陷密度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)硅(Si)器件，導(dǎo)致其在長(zhǎng)期高電場(chǎng)下更容易發(fā)生擊穿，這是決定器件壽命和可靠性的關(guān)鍵瓶頸。

平面柵 vs 溝槽柵：性能與可靠性的權(quán)衡

? 平面柵技術(shù)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝成熟和出色的可靠性著稱。盡管其理論性能(如導(dǎo)通電阻)稍遜，但其穩(wěn)健性使其成為高可靠性應(yīng)用的首選。

? 溝槽柵技術(shù)通過創(chuàng)新的垂直結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了更低的導(dǎo)通電阻和更高的功率密度，性能優(yōu)勢(shì)顯著。然而，其復(fù)雜的工藝和難以克服的溝槽邊角電場(chǎng)集中問題，給柵氧化層的長(zhǎng)期可靠性帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

高溫下性能趨同——溝槽柵的“實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)”難以兌現(xiàn)

溝槽柵廠商常用常溫(25°C)下的溝道遷移率和導(dǎo)通電阻數(shù)據(jù)來展示其性能優(yōu)勢(shì)。但功率器件在實(shí)際應(yīng)用中始終工作在高結(jié)溫(150°C-175°C)下。學(xué)術(shù)研究表明，在高溫下，溝道遷移率和導(dǎo)通電阻的差距會(huì)顯著縮小，使得溝槽柵的"高功率密度"優(yōu)勢(shì)在實(shí)際測(cè)試和客戶應(yīng)用中難以被感知。

市場(chǎng)選擇：可靠性優(yōu)先

在對(duì)安全性要求最為嚴(yán)苛的電動(dòng)汽車主逆變器市場(chǎng)，我們觀察到一個(gè)明確的趨勢(shì)。全球領(lǐng)先的電動(dòng)汽車制造商，如特斯拉(Tesla)和比亞迪(BYD)，均在其核心車型中選擇了平面柵結(jié)構(gòu)的SiC MOSFET。這一選擇清晰地表明，在當(dāng)前階段，行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者將長(zhǎng)期可靠性置于理論性能之上。

結(jié)論: 在實(shí)際高溫工況下，溝槽柵與平面柵的性能表現(xiàn)相差無幾，但平面柵提供了無與倫比的可靠性保障。 對(duì)于投資者而言，這意味著擁有成熟、可靠的平面柵SiC技術(shù)的公司，在當(dāng)前及未來幾年的電動(dòng)汽車市場(chǎng)中擁有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和更低的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于客戶而言，選擇采用平面柵器件的解決方案，意味著選擇了更安全、更長(zhǎng)久的產(chǎn)品生命周期。

一、碳化硅(SiC)簡(jiǎn)介：為何是未來趨勢(shì)?

功率半導(dǎo)體是控制和轉(zhuǎn)換電能的核心。長(zhǎng)久以來，硅(Si)基功率器件(如IGBT和MOSFET)主導(dǎo)著市場(chǎng)。然而，隨著對(duì)能源效率和功率密度要求的不斷提升，硅的物理性能已接近其理論極限。

碳化硅(SiC)的出現(xiàn)打破了這一瓶頸。作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，SiC擁有三大核心優(yōu)勢(shì)：

更高的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度能夠承受比硅高近10倍的電壓，使得器件可以做得更薄、更小，導(dǎo)通電阻顯著降低。 更高的熱導(dǎo)率散熱能力更強(qiáng)，系統(tǒng)可以工作在更高溫度下，并簡(jiǎn)化冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 更寬的帶隙漏電流極低，開關(guān)損耗更小，顯著提升系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率。

在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，這些優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為更長(zhǎng)的續(xù)航里程、更快的充電速度以及更輕、更緊湊的電驅(qū)系統(tǒng)。因此，SiC被公認(rèn)為下一代電動(dòng)汽車技術(shù)競(jìng)賽的關(guān)鍵賽點(diǎn)。

二、核心挑戰(zhàn)：柵極氧化層(GOX)的可靠性

在SiC MOSFET中，柵極氧化層是一層極薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，它控制著電流的通斷，是器件的心臟。然而，這層在硅器件中極為可靠的結(jié)構(gòu)，在SiC上卻面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。

根本原因：為何SiC柵氧更脆弱?

根據(jù)英飛凌(Infineon)等行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者的研究，SiC柵氧的可靠性問題主要源于三大物理特性：

更高的缺陷密度SiC晶體生長(zhǎng)和高溫氧化工藝的復(fù)雜性，導(dǎo)致在SiC與SiO2的界面處形成比硅高出數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)的缺陷。這些缺陷如同氧化層中的"微孔"，會(huì)極大地增加早期失效的風(fēng)險(xiǎn)。 更高的工作電場(chǎng):SiC的高擊穿電壓特性，使其內(nèi)部工作電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于硅器件。這使得柵氧化層長(zhǎng)期承受著巨大的電應(yīng)力，加速了老化和擊穿進(jìn)程。 更低的隧穿勢(shì)壘SiC更寬的帶隙反而降低了電子從SiC隧穿進(jìn)入氧化層的能量壁壘。這意味著在相同電場(chǎng)下，SiC的柵氧泄漏電流更大，長(zhǎng)期來看會(huì)損害氧化層。

這些因素共同導(dǎo)致了SiC MOSFET的兩種主要可靠性問題：

? 時(shí)間相關(guān)介電擊穿 (TDDB): 柵氧化層在持續(xù)的電場(chǎng)和溫度壓力下，會(huì)逐漸劣化并最終形成導(dǎo)電通道，導(dǎo)致器件永久性短路失效。這是決定器件壽命的"硬殺手"。

? 偏壓溫度不穩(wěn)定性 (BTI): 界面缺陷會(huì)捕獲和釋放電子，導(dǎo)致器件的關(guān)鍵參數(shù)——閾值電壓(VTH)發(fā)生漂移。這會(huì)影響器件的開關(guān)行為，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)誤動(dòng)作。

由于這些早期失效主要由隨機(jī)分布的"外部缺陷"引起，無法通過改進(jìn)材料的"本征"特性來完全消除。因此，如何篩選出這些有潛在缺陷的器件，并從設(shè)計(jì)上降低柵氧所承受的壓力，成為SiC技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。

三、兩大技術(shù)路線對(duì)決：平面柵 vs. 溝槽柵

為了在提升性能的同時(shí)應(yīng)對(duì)柵氧可靠性挑戰(zhàn)，業(yè)界發(fā)展出兩種主流的MOSFET結(jié)構(gòu)：平面柵和溝槽柵。這兩種結(jié)構(gòu)在性能和可靠性之間做出了截然不同的取舍。

01 平面柵技術(shù) (Planar Gate)

平面柵是最早商業(yè)化的SiC MOSFET結(jié)構(gòu)，其電流溝道在芯片表面水平形成，其設(shè)計(jì)思想繼承自成熟的硅MOSFET工藝。

優(yōu)勢(shì)

? 高可靠性與穩(wěn)健性: 電場(chǎng)分布均勻，沒有尖銳的結(jié)構(gòu)，避免了電場(chǎng)集中問題，這使得其柵氧化層所受應(yīng)力較小，長(zhǎng)期可靠性記錄優(yōu)異。

? 工藝簡(jiǎn)單成熟: 制造流程相對(duì)簡(jiǎn)單，易于控制，良率更高，成本也更具優(yōu)勢(shì)。

劣勢(shì)

? 常溫性能指標(biāo)稍低: 由于水平溝道限制了單元密度，其常溫下的導(dǎo)通電阻(RDS(on))相對(duì)較高。

02 溝槽柵技術(shù) (Trench Gate)

為了克服平面柵的性能瓶頸，溝槽柵技術(shù)被開發(fā)出來。它通過在芯片表面蝕刻垂直的溝槽，使電流溝道沿溝槽側(cè)壁垂直流動(dòng)。

優(yōu)勢(shì)

? 常溫性能指標(biāo)出色：垂直結(jié)構(gòu)極大地提高了單元密度，使得溝槽柵MOSFET在常溫(25°C)下的導(dǎo)通電阻顯著低于平面柵。

劣勢(shì)

? 致命的可靠性風(fēng)險(xiǎn)：其核心問題在于溝槽底部的尖角處會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電場(chǎng)集中。這個(gè)尖角處的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)數(shù)倍于芯片其他區(qū)域，像一把尖刀持續(xù)刺向最脆弱的柵氧化層，極大地增加了TDDB風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)器件的長(zhǎng)期可靠性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

? 工藝復(fù)雜且昂貴：溝槽的精確蝕刻和氧化物填充等工藝非常復(fù)雜，導(dǎo)致制造成本高昂，良率控制難度大。

03 深入分析：為何高溫下性能趨同?

這是一個(gè)非常關(guān)鍵且常被忽視的技術(shù)細(xì)節(jié)。溝槽柵在數(shù)據(jù)表上常溫(25°C)下的性能優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際工作溫度(通常為150°C-175°C)下會(huì)大幅縮水，甚至與平面柵趨于一致。

這一現(xiàn)象使得客戶在實(shí)際應(yīng)用中很難感知到溝槽柵所謂的"高功率密度"優(yōu)勢(shì)。其背后的物理機(jī)制如下：

溝道遷移率的溫度依賴性

SiC MOSFET的總導(dǎo)通電阻(RDS(on))由多個(gè)部分組成，其中溝道電阻(Rch)和漂移區(qū)電阻(Rdrift)是主要部分。溝槽柵通過增加溝道密度來降低總電阻，因此其性能對(duì)溝道電阻的變化更為敏感。然而，溝道中電子的遷移率會(huì)隨著溫度升高而顯著下降(主要受聲子散射影響)。這意味著，隨著結(jié)溫從25°C升高到175°C，溝道電阻會(huì)急劇增加，從而抵消了溝槽結(jié)構(gòu)在常溫下的優(yōu)勢(shì)。

導(dǎo)通電阻溫度系數(shù)(TCR)的差異

學(xué)術(shù)研究和工業(yè)界數(shù)據(jù)均表明，盡管所有SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻都會(huì)隨溫度升高而增加，但傳統(tǒng)溝槽柵器件的RDS(on)增長(zhǎng)速度通?？煊谄矫鏂牌骷Ｏ饦鋷X國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)的一項(xiàng)研究對(duì)比了1200V的溝槽柵和平面柵MOSFET，數(shù)據(jù)顯示：

這意味著，在逆變器滿載運(yùn)行的真實(shí)工況下，兩種結(jié)構(gòu)帶來的實(shí)際能效差異微乎其微。

關(guān)鍵結(jié)論

客戶和投資者在評(píng)估SiC技術(shù)時(shí)，絕不能僅僅依賴數(shù)據(jù)手冊(cè)上的常溫參數(shù)。溝槽柵在常溫下的"性能光環(huán)"很大程度上是一種"實(shí)驗(yàn)室優(yōu)勢(shì)"，在真實(shí)、嚴(yán)酷的汽車運(yùn)行環(huán)境中會(huì)迅速褪色。 當(dāng)性能優(yōu)勢(shì)不再顯著時(shí)，其固有的可靠性風(fēng)險(xiǎn)就成為了一個(gè)更需要被關(guān)注的短板。因此，一個(gè)更強(qiáng)有力的結(jié)論是：在實(shí)際高溫工況下，溝槽柵與平面柵的性能表現(xiàn)相差無幾，但平面柵提供了無與倫比的可靠性保障。

04對(duì)比總結(jié)

下表清晰地總結(jié)了兩種技術(shù)的關(guān)鍵差異：

正如Navitas半導(dǎo)體的分析所指出的，溝槽技術(shù)的高電場(chǎng)集中會(huì)給柵氧化層帶來壓力，從而構(gòu)成一個(gè)長(zhǎng)期的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。

四、市場(chǎng)選擇：主流電動(dòng)汽車廠商用什么？

對(duì)于需要運(yùn)行10至15年甚至更久的汽車而言，功率半導(dǎo)體的長(zhǎng)期可靠性是不可妥協(xié)的底線。盡管溝槽柵在性能參數(shù)上極具吸引力，但汽車工程師們對(duì)其柵氧可靠性的擔(dān)憂始終存在。市場(chǎng)的最終選擇為我們提供了最明確的答案。

行業(yè)風(fēng)向標(biāo)：特斯拉與比亞迪的選擇 特斯拉 (Tesla)作為全球電動(dòng)汽車的領(lǐng)導(dǎo)者和SiC技術(shù)的先驅(qū)，特斯拉從其劃時(shí)代的Model 3開始，就與意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)合作，采用了其平面柵結(jié)構(gòu)的SiC MOSFET。至今，在其銷量最大的Model 3和Model Y車型中，依然堅(jiān)持使用平面柵技術(shù)。這一選擇對(duì)整個(gè)行業(yè)具有強(qiáng)大的示范效應(yīng)。 比亞迪 (BYD)作為全球最大的新能源汽車制造商，比亞迪通過其子公司比亞迪半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)了SiC MOSFET的自研自產(chǎn)。分析表明，在其旗艦車型"漢"以及后續(xù)高端車型中，比亞迪同樣采用了其自主研發(fā)的平面柵技術(shù)。

這兩大巨頭的共同選擇，傳遞了一個(gè)強(qiáng)烈的信號(hào)：在關(guān)乎車輛安全和壽命的核心驅(qū)動(dòng)部件上，經(jīng)過長(zhǎng)期驗(yàn)證的平面柵技術(shù)是目前更值得信賴的方案。

更廣泛的市場(chǎng)格局

這種趨勢(shì)在更廣泛的汽車市場(chǎng)中也得到了印證。大眾汽車集團(tuán)(Volkswagen Group)已選擇安森美(onsemi)作為其下一代電動(dòng)平臺(tái)的SiC供應(yīng)商，后者目前主推的也是高性能平面柵技術(shù)。與此同時(shí)，現(xiàn)代/起亞(Hyundai/Kia)則采取了雙供應(yīng)商策略，同時(shí)采用了英飛凌的溝槽柵和安森美的平面柵器件，這反映出整車廠在性能與可靠性之間尋求平衡的謹(jǐn)慎態(tài)度。

下表總結(jié)了部分主流車企及其SiC技術(shù)選擇：

五、結(jié)論與投資展望

對(duì)碳化硅功率器件的分析表明，柵氧化層可靠性是決定該技術(shù)能否在嚴(yán)苛應(yīng)用中大規(guī)模普及的核心。盡管溝槽柵技術(shù)在常溫性能指標(biāo)上領(lǐng)先，但其固有的溝槽角電場(chǎng)集中問題，使其長(zhǎng)期可靠性面臨著一個(gè)尚未被完美解決的"物理硬傷"。更重要的是，溝槽柵的常溫性能優(yōu)勢(shì)在實(shí)際高溫工況下會(huì)大幅縮水，使其"高功率密度"的賣點(diǎn)難以在客戶端得到驗(yàn)證。

相比之下，平面柵技術(shù)雖然在常溫性能指標(biāo)上做出了部分妥協(xié)，但其簡(jiǎn)單、穩(wěn)健的結(jié)構(gòu)帶來了可預(yù)測(cè)的、經(jīng)過長(zhǎng)期市場(chǎng)驗(yàn)證的卓越可靠性，且在高溫下與溝槽柵的性能差距微乎其微。全球頂級(jí)電動(dòng)汽車制造商(如特斯拉和比亞迪)在核心動(dòng)力系統(tǒng)上一致選擇平面柵技術(shù)，這絕非偶然，而是基于對(duì)風(fēng)險(xiǎn)和回報(bào)的審慎評(píng)估。

對(duì)于投資者和客戶，派恩杰本報(bào)告的結(jié)論是明確的：

短期至中期 (未來3-5年)掌握了高性能、高可靠性平面柵技術(shù)的SiC供應(yīng)商(如STMicroelectronics, onsemi, Wolfspeed等)在電動(dòng)汽車主逆變器這一最大細(xì)分市場(chǎng)中，將擁有更低的風(fēng)險(xiǎn)和更強(qiáng)的確定性。投資這些公司相當(dāng)于投資于市場(chǎng)的"最大公約數(shù)"。 長(zhǎng)期展望溝槽柵技術(shù)的理論性能優(yōu)勢(shì)不容忽視。如果溝槽柵技術(shù)廠商(如Infineon, ROHM等)能夠通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新(如引入P-shielding結(jié)構(gòu))或工藝突破，提供充分且獲得業(yè)界廣泛認(rèn)可的證據(jù)，證明其已徹底解決了柵氧可靠性問題，那么市場(chǎng)格局可能會(huì)發(fā)生改變。在此之前，溝槽柵技術(shù)在汽車主驅(qū)等高可靠性應(yīng)用中仍將面臨客戶的審慎評(píng)估。

最終，SiC市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)將是一場(chǎng)關(guān)于性能、成本和可靠性的"鐵人三項(xiàng)"。在當(dāng)前階段，可靠性是贏得比賽的關(guān)鍵賽點(diǎn)，而平面柵技術(shù)無疑是更穩(wěn)健的得分選手。

PN JUNCTION

技術(shù)迭代中，派恩杰平面柵產(chǎn)品形成獨(dú)特優(yōu)勢(shì)矩陣。高溫特性方面，芯片在175°C乃至200°C環(huán)境下仍保持參數(shù)穩(wěn)定性，高溫導(dǎo)通損耗顯著優(yōu)于競(jìng)品，這與溝槽柵在高溫時(shí)芯片面積利用率不足的短板形成對(duì)比?？煽啃詼y(cè)試顯示，產(chǎn)品在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中參數(shù)漂移幅度控制在行業(yè)頂尖水平，車規(guī)級(jí)產(chǎn)品已通過AEC-Q101認(rèn)證并搭載于超500W+輛新能源汽車。

商業(yè)化落地層面，派恩杰構(gòu)建了從芯片設(shè)計(jì)到封裝應(yīng)用的垂直整合能力。平面柵芯片與自主研發(fā)的嵌入式PCB封裝技術(shù)協(xié)同，將寄生電感降至3nH以下，解決了傳統(tǒng)封裝損耗芯片性能的行業(yè)痛點(diǎn)。我們一直推崇的“芯片-封裝-系統(tǒng)”協(xié)同設(shè)計(jì)模式，讓我們?cè)谛履茉雌囍黩?qū)逆變器、光伏儲(chǔ)能逆變器等領(lǐng)域得以快速占據(jù)市場(chǎng)份額，今年也將會(huì)在供應(yīng)鏈建設(shè)上進(jìn)一步鞏固成本優(yōu)勢(shì)。

堅(jiān)持平面柵路線的背后，是派恩杰對(duì)技術(shù)演進(jìn)規(guī)律的篤定。團(tuán)隊(duì)引用功率器件宗師Alex Huang的品質(zhì)因數(shù)公式指出，硅MOSFET的發(fā)展歷史本質(zhì)是元胞間距微縮史，這一規(guī)律同樣適用于碳化硅器件。從2019年第一代4.8μm元胞，到2025年第四代3.2μm工藝，派恩杰通過七年間五代技術(shù)迭代驗(yàn)證了這一邏輯——當(dāng)行業(yè)爭(zhēng)論平面柵與溝槽柵孰優(yōu)孰劣時(shí)，我們已通過元胞尺寸縮小40%實(shí)現(xiàn)性能躍升，證明平面柵技術(shù)仍有巨大挖掘空間。我們用基礎(chǔ)理論指導(dǎo)技術(shù)路線的策略，避免陷入“為創(chuàng)新而創(chuàng)新”的陷阱，在第三代半導(dǎo)體競(jìng)爭(zhēng)中建立起可持續(xù)的技術(shù)壁壘。

派恩杰半導(dǎo)體

成立于2018年9月，是國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的第三代半導(dǎo)體功率器件設(shè)計(jì)與解決方案提供商。作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì) JC-70 成員單位之一，我們深度參與寬禁帶半導(dǎo)體功率器件國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定。

公司已量產(chǎn)超過百款 650V / 1200V / 1700V SiC SBD 與 SiC MOSFET 產(chǎn)品，GaN HEMT 系列同步布局。其中，SiC MOSFET 芯片已大規(guī)模導(dǎo)入新能源乘用車及Tier-1動(dòng)力平臺(tái)。

我們的器件廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、AI計(jì)算、5G基站、儲(chǔ)能與充電樁、軌道交通、高端家電與航空航天等高要求場(chǎng)景，以高效率、高可靠性和高能量密度，助力全球能源轉(zhuǎn)型。

樣品咨詢，請(qǐng)聯(lián)系：sales@pnjsemi.com