罗姆（ROHM）第4代：技术回顾

罗姆今年发布了他们的第4代（Gen4）金氧半场效晶体管（MOSFET）产品。新系列包括额定电压为750 V（从650 V提升至750 V）和1200 V的金氧半场效晶体管，以及多个可用的TO247封装元件，其汽车级合格认证达56A/24m?。这一阵容表明罗姆将继续瞄准他们之前取得成功的车载充电器市场。

在产品发布声明中，罗姆声称其第4代产品“通过进一步改进原有的双沟槽结构，在不影响短路耐受时间的情况下，使单位面积导通电阻比传统产品降低40%。”他们还表示，“此外，显著降低寄生电容使得开关损耗比我们的上一代碳化硅金氧半场效晶体管降低50%成为可能”。

TechInsights仅用数周就迅速采购并剖析了罗姆第4代金氧半场效晶体管，并于2022年7月公布了首批图像。从那时起，PGC一直致力于提供相关器件的电气数据，这些数据与剖面图结合，有助于我们理解罗姆在沟槽工艺技术方面取得的进步。

届时，TechInsights订户将获得有关该设备的稳健性、可靠性和数据表范围外特性检测的全面分析。在本文中，我们将公开一些具有启发性的早期分析，以便验证罗姆的上述声明，并理解其所做的改进。

沟槽式金氧半场效晶体管基础知识

传统的“平面”金氧半场效晶体管的栅极和沟道区设置在半导体表面。平面金氧半场效晶体管易于制造且非常可靠。但在减小芯片尺寸以提高产量的过程中，其横向拓扑结构限制了最终缩小范围。

图1：碳化硅金氧半场效晶体管设计示意图，图中显示了罗姆（第3代）和英飞凌的典型平面结构和沟槽式设计。

沟槽式金氧半场效晶体管包括沟槽边缘形成并已被蚀刻在碳化硅表面的栅极。沟槽栅极用于制造低电阻器件，准确地说，是低比导通电阻（Ronsp，电阻x面积）。如能降低Ronsp，则芯片制造商能缩小芯片尺寸，从而实现RDSon=15 mOhm的产品，这能降低碳化硅用量，从而提高产量。

沟槽式金氧半场效晶体管的较低Ronsp背后有多种原因。首先，在碳化硅沟槽侧壁上制备的栅极具有更高的沟道迁移率，这意味着与平面器件相比，电子穿过沟槽栅极的阻碍较少。这能降低沟道电阻。其次，沟槽式金氧半场效晶体管可能消除平面金氧半场效晶体管的JFET电阻，在该区域中，来自两个沟道的电流被挤压到p体触点之间的狭窄通道中。但正如我们将看到的那样，实用、务实的设计可能导致再次引入一个类似JFET的区域。第三，与平面栅极的数量相比，垂直沟槽栅极密度应当更大，从而减小单元间距并增大电流密度。

但要小心其中的陷阱。沟槽式金氧半场效晶体管可能难以优化以实现可靠、稳健的运行。特别地，成功的设计必须解决在尽量增大器件顶部碳化硅高电场（比硅高9倍）的同时保护同样位于器件顶部的精密栅极氧化物免受该电场影响的问题。维持这种平衡需要巧妙但复杂的器件布局，否则漂移区需要严重降额，从而侵蚀沟槽架构的增益。因此，沟槽式金氧半场效晶体管的一个缺点是它们的设计更复杂，通常需要更多的制造步骤，其中一些步骤可能具有特殊的复杂性——深度高能注入（英飞凌）或深沟槽蚀刻（罗姆第4代器件）。

罗姆和英飞凌的沟槽设计

罗姆和英飞凌率先转向沟槽式金氧半场效晶体管，但采用了截然不同的设计。罗姆第3代的TechInsights剖面图如图2所示，以及图1中的卡通形式。罗姆选择了更传统的设计，即每个栅极沟槽的每侧都有沟道，并利用每一侧的虚拟沟槽，其中，通过深P型注入保护栅极沟槽。英飞凌让每条沟槽都物尽其用！每条沟槽的一侧均有一条沟道，另一侧被深P+注入所覆盖，以防高电场影响栅极氧化物。这种布局使沟槽的沟道侧与4°离轴碳化硅晶体完美对齐；这是一种降低电阻的巧妙技巧。

图3中值得注意的是，每个有源栅极沟槽之间的两个非有源源极沟槽，它们与宽体电极触点一同形成了沟槽器件的宽单元间距。但从平面图中看到该设备时，这个明显浪费芯片面积的布局有其存在的意义。不同于传统的仅在一个维度上跨越器件的栅极条，这款第3代器件的布局具有从上到下和从左到右延伸的栅极，从而创建了一个巧妙的二维栅极网格，使单位面积内的栅极密度几乎翻倍。这在概念上类似于Wolfspeed的六边形布局，该布局将栅极密度增加了约128）5 μs增加到53 kV和10 kV碳化硅器件。他凭借论文《碳化硅功率金刚石场效应晶体管的高温电老化和热老化性能及应用注意事项》赢得《电气与电子工程师协会汇刊电力电子学卷》2018年最佳论文奖。自2018年进入业界以来，他领导了新型硅绝缘栅双极型晶体管产品线研发，并发起了一个在电路保护应用中使用碳化硅JFET的研发项目。他于2020年加入TechInsights并成为功率半导体器件的学科专家，同时持续了解整个行业的最新发展。