沟槽型SiC MOSFET为什么能降电阻，却更难保证可靠性？

在功率器件里，“沟槽型”常被简单理解为更先进、导通电阻更低。这个判断只说对了一半：把栅极从芯片表面移进刻蚀沟槽，确实能缩小单元间距、增加沟道密度，并减弱平面型结构中的电流收窄；但沟槽底部和拐角也更接近高电场区，单位面积电流更大，故障时升温更快。

核心结论

先给答案：沟槽型SiC MOSFET降低电阻，靠的是把沟道布置在沟槽侧壁，让更多晶体管单元挤进同一芯片面积，并减少平面结构中p阱之间的JFET收窄电阻。它的可靠性挑战不是“沟槽一定不可靠”，而是性能优化会同时改变栅氧电场、短路电流密度、热分布和反向导通路径。量产器件必须用底部p型屏蔽、双沟槽或非对称沟槽、栅氧工艺和内置肖特基二极管等办法，把这些风险重新压回可接受范围。

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电流为什么会被平面结构“挤窄”

垂直SiC MOSFET的电流从芯片正面的源极出发，穿过沟道、漂移区，最后到达背面漏极。平面型结构把栅极铺在表面，沟道沿表面横向形成；相邻p阱之间留下的窄n型区域会像瓶颈一样增加JFET电阻。

导通电阻不是单一材料参数，而是沟道电阻、JFET区域电阻、漂移区电阻、衬底与接触电阻等多项之和。不同耐压、温度和单元设计下，各项占比不同，因此不能说沟槽结构总能把整机损耗降低某个固定比例。

沟槽栅把栅极埋进竖直沟槽，沟道沿侧壁形成。单元间距可以更小，单位面积内的有效沟道更长，同时电流不必穿过同样狭窄的表面JFET通道。结果是单位面积导通电阻，也就是常说的RDS(on)×A，有机会下降。

图1｜左侧为平面栅：表面沟道与p阱之间的窄电流通道会贡献JFET电阻；右侧为沟槽栅：侧壁沟道可提高单元密度，但沟槽底部需要电场屏蔽。示意，非按比例。

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为什么沟槽底部会成为敏感位置

MOSFET关断时，漏极承受高电压，漂移区内建立强电场。平面栅的氧化层主要位于表面；沟槽栅则有底部和拐角，几何曲率会造成局部电场集中。如果电场直接落在薄栅氧上，长期应力会增加绝缘层失效概率。

SiC本体能承受很高的临界电场，但这不等于SiO₂栅氧可以无条件承受同样强度。SiC/SiO₂界面还会影响沟道迁移率、阈值电压与陷阱充放电，因此“材料耐压高”不能直接推出“栅氧天然更可靠”。

主流做法是在沟槽底部布置p型屏蔽区或底部p阱，让高压关断时的电场线先被半导体结结构承接；双沟槽结构还会在源极一侧设置辅助沟槽，改变电势分布。屏蔽越强并非越好：p型区会重新塑造JFET通道，影响导通电阻、栅漏电容和开关速度，必须整体权衡。

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加工难度也随结构一起上升

沟槽不是在晶圆上挖一道槽就结束。刻蚀要控制深度、侧壁角度、底部圆角和表面损伤；随后还要清理残留、修复刻蚀损伤并生长或沉积质量稳定的栅氧。底部过尖会抬高电场，侧壁缺陷则可能增加界面态和沟道散射。

平面型工艺也有栅氧可靠性问题，但沟槽把关键界面从水平面扩展到不同晶向的侧壁与拐角，对刻蚀、氧化和注入对准提出更多三维控制要求。最终良率取决于整片晶圆上大量沟槽是否保持一致，而不是某个理想截面的性能。

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低电阻为什么可能牺牲短路耐量

功率变换器发生桥臂直通或负载短路时，MOSFET会在高漏极电压下同时通过大电流。电能在很短时间内转化为芯片内部热量，结温迅速上升。短路耐量因此取决于饱和电流、芯片热容量、栅极偏置、母线电压、初始温度和保护电路响应，不能只看数据手册中的导通电阻。

更低的单位面积电阻通常允许更高电流密度或更小芯片。正常工作时这是优势，短路时却可能产生更强的局部发热。温升会改变迁移率和阈值电压，严重时可引发金属熔化、层间介质破坏、栅氧击穿或热失控。

2026年东芝公开的1200伏沟槽型SiC原型，通过调整底部p阱下方JFET区域的宽度和掺杂，在其测试条件下实现约25%的导通电阻下降，同时维持短路耐量。这是特定原型的结果，说明结构参数可以共同优化，却不能外推为所有沟槽器件的固定改善幅度。

图2｜沟槽可靠性需要同时管理三条路径：关断时屏蔽栅氧高电场；短路时限制局部电流和温升；反向导通时减少体二极管的双极注入。示意，非按比例。

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体二极管为什么也影响长期可靠性

SiC MOSFET内部天然存在由p区和n型漂移区构成的体二极管。半桥换流时，电流可能从源极流向漏极，既可以经过已开启的MOS沟道，也可能让体二极管正向导通。

体二极管是双极型pn结。长期双极导通时，少数载流子注入可能让某些晶体缺陷扩展为堆垛层错，表现为正向压降或导通电阻漂移。风险大小与外延缺陷、结构和使用条件有关，不应把所有SiC MOSFET都描述成必然退化。

一种做法是在芯片内集成肖特基势垒二极管，让反向电流优先走单极路径，抑制体二极管注入；也可以通过栅极控制，让反向电流优先走沟道。但内置SBD会占用芯片面积，并改变漏电、结电容和短路电流路径。东芝的公开资料也明确指出：增强SBD导通有利于反向可靠性，却可能增加短路时的漏电和电流，因此仍需配合屏蔽结构。

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两个常见误区

误区一：沟槽越深、单元越密，电阻就一定越低。

沟槽深度和单元间距会同时改变沟道、JFET区、电容、电场与加工窗口。几何尺寸必须与耐压、栅氧和热设计共同优化，不能只追求更密。

误区二：SiC体二极管反向恢复快，就可以忽略反向导通可靠性。

SiC pn结相对硅pn结通常恢复更快，但双极注入、正向压降、缺陷扩展和浪涌能力仍需评估。是否使用同步导通、内置SBD或外置二极管，要结合具体拓扑和任务剖面。

本篇小结

记住这三点

①沟槽栅通过侧壁沟道、较小单元间距和较弱JFET收窄降低单位面积导通电阻，但改善幅度取决于具体结构。

②沟槽底部栅氧电场与短路局部热冲击是核心可靠性矛盾，需要p型屏蔽、沟槽形貌和电流路径协同设计。

③体二极管、MOS沟道和内置SBD共同决定反向导通；压低一种风险，往往会把代价转移到面积、电容、漏电或短路耐量。

XINJINGLI · SOURCES

信息来源

1. Infineon：CoolSiC沟槽单元、栅氧电场与体二极管设计

2. ROHM：SiC功率器件应用手册中的沟槽结构与双沟槽屏蔽

3. Toshiba：沟槽型SiC MOSFET低电阻与短路耐量协同设计

4. Toshiba：SiC MOSFET体二极管与内置SBD的反向导通边界

5. IEEE TPEL：1200伏双沟槽SiC MOSFET短路失效机理

本文用于SiC MOSFET器件结构与可靠性科普。不同厂商的沟槽、屏蔽区、栅氧、SBD和封装方案并不相同；文中截面与失效路径为通用原理示意，不代表企业内部配方，也不构成投资建议。

来源：芯晶粒

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