替代Trench MOSFET？國(guó)產(chǎn)SGT MOSFET產(chǎn)品井噴

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）近幾年第三代半導(dǎo)體在功率器件上發(fā)光發(fā)熱，低壓消費(fèi)應(yīng)用上GaN器件統(tǒng)治充電頭市場(chǎng)，新能源汽車(chē)高壓平臺(tái)上SiC器件逐漸成為標(biāo)配。在硅基功率器件領(lǐng)域，借助新能源的東風(fēng)，IGBT、超結(jié)MOSFET等中高壓產(chǎn)品也受到了更多關(guān)注，不過(guò)面對(duì)第三代半導(dǎo)體在新能源領(lǐng)域的強(qiáng)勢(shì)沖擊，未來(lái)增速面臨放緩跡象。

然而在低壓領(lǐng)域的硅基MOSFET市場(chǎng)，SGT MOSFET正在獲得快速增長(zhǎng)。SGT MOSFET在性能上帶來(lái)了新的升級(jí)，并逐步取代傳統(tǒng)的Trench（溝槽）MOSFET。

SGT MOSFET是什么

SGT MOSFET全稱(chēng)Shielded Gate Trench MOSFET，即屏蔽柵溝槽MOSFET。SGT MOSFET基于傳統(tǒng)溝槽MOSFET，通過(guò)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)從而提升穩(wěn)定性、低損耗等性能。傳統(tǒng)平面型MOSFET中，源極和漏極區(qū)域是橫向布局的，柵極在源極和漏極區(qū)域的上方，形成一個(gè)平面結(jié)構(gòu)。

溝槽MOSFET則是源極和漏極區(qū)域垂直于半導(dǎo)體表面，柵極被嵌入到硅片中的溝槽內(nèi)，形成垂直結(jié)構(gòu)。

左：傳統(tǒng)溝槽MOSFET，右：SGT MOSFET 圖源：功成半導(dǎo)體

如上圖所示，在結(jié)構(gòu)上，相比傳統(tǒng)的溝槽MOSFET，SGT MOSFET采用深溝槽結(jié)構(gòu)，“挖槽”更加深入，柵極被嵌入到硅片的深槽中。同時(shí)SGT MOSFET在溝槽內(nèi)部有一層多晶硅柵極（主柵極），其上方還有一層多晶硅屏蔽柵極，這個(gè)額外的屏蔽柵極可以調(diào)節(jié)溝道內(nèi)的電場(chǎng)分布，從而降低導(dǎo)通電阻并提高開(kāi)關(guān)性能。

由于屏蔽柵的存在，SGT MOSFET可以更有效地控制電場(chǎng)分布，從而減少寄生效應(yīng)，降低開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。也由于結(jié)構(gòu)和更優(yōu)的電場(chǎng)分布，SGT MOSFET可以在相同的擊穿電壓下使用更小的單元尺寸，從而減小芯片面積。

所以，SGT MOSFET相比傳統(tǒng)的溝槽MOSFET，導(dǎo)通電阻和開(kāi)關(guān)損耗可以更低，尤其是在中低壓的應(yīng)用領(lǐng)域中，屏蔽柵結(jié)構(gòu)有助于提高器件可靠性，其高效率以及緊湊的芯片尺寸也能夠更加適合這些應(yīng)用。

另外，封裝技術(shù)也對(duì)SGT MOSFET的可靠性和功率密度有很大關(guān)系。比如捷捷微電推出的高功率薄型封裝PowerJE系列的SGT MOSFET，相比傳統(tǒng)的TO-263-3L 封裝，面積少了20%、高度降低了45%。在大幅度減少占用空間的同時(shí)，有效地提高功率密度，適合極為緊湊的終端設(shè)計(jì)。熱阻表現(xiàn)優(yōu)越而散熱效果更好，進(jìn)一步保證器件的長(zhǎng)期可靠性。

國(guó)產(chǎn)廠商井噴，在低壓應(yīng)用加速取代溝槽MOSFET

在SGT MOSFET領(lǐng)域，依然是海外半導(dǎo)體巨頭主導(dǎo)市場(chǎng)，英飛凌、安森美、AOS等海外巨頭起步較早，產(chǎn)品市占率較高。不過(guò)國(guó)內(nèi)新潔能、捷捷微電、華潤(rùn)微等廠商在近幾年勢(shì)頭正猛，成功研發(fā)SGT MOSFET的同時(shí)，也跟隨國(guó)產(chǎn)替代的風(fēng)潮獲得了市場(chǎng)成功。

另一個(gè)關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)是，2021年的全球芯片缺貨潮中，SGT MOSFET使用的成熟制程產(chǎn)能尤為緊缺。同時(shí)在缺芯潮的中心，汽車(chē)芯片作為高價(jià)值高利潤(rùn)的產(chǎn)品，各大芯片巨頭都優(yōu)先力保汽車(chē)芯片的產(chǎn)能，當(dāng)然其中也包括了功率半導(dǎo)體，因此一些汽車(chē)以外的功率半導(dǎo)體器件，比如SGT MOSFET的產(chǎn)能就更加短缺了。

于是海外芯片巨頭只能將訂單轉(zhuǎn)手到一些國(guó)內(nèi)的代工廠商，這給國(guó)內(nèi)的SGT MOSFET工藝制造的提升有了很大的幫助。以往國(guó)內(nèi)只有幾家規(guī)模較大的IDM廠商可以制造SGT MOSFET，但這次缺芯危機(jī)則變相地帶動(dòng)了更多國(guó)內(nèi)功率半導(dǎo)體廠商在SGT MOSFET上的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

新潔能在國(guó)內(nèi)是較早開(kāi)發(fā)SGT MOSFET的功率廠商之一，目前其SGT MOSFET產(chǎn)品線(xiàn)已經(jīng)迭代到第三代，官網(wǎng)顯示，新潔能第一代N溝道SGT-I系列功率MOSFET擊穿電壓等級(jí)范圍為30V至250V；第二代產(chǎn)品擊穿電壓等級(jí)范圍從30V至120V，面向性能與魯棒性要求極為苛刻的低頻應(yīng)用，新潔能N溝道SGT-II系列產(chǎn)品進(jìn)一步優(yōu)化了大電流關(guān)斷能力與靜電防護(hù)能力，可滿(mǎn)足包括直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、鋰電池保護(hù)、AC/DC同步整流等廣泛應(yīng)用。此外，相比于新潔能上一代SGT-I系列產(chǎn)品，SGT-II系列產(chǎn)品特征導(dǎo)通電阻Ron,sp降低20%，F(xiàn)OM值降低20%。

目前最新的第三代SGT-III系列，則相比上一代產(chǎn)品特征導(dǎo)通電阻降低20%以上，ESD能力、大電流關(guān)斷能力、短路能力提升10%以上，同時(shí)具有更優(yōu)的EMI特性。

捷捷微電早在2021年就推出了多款JSFET 30 ~ 150V 系列SGT MOSFET產(chǎn)品，并后續(xù)推出了多款車(chē)規(guī)級(jí)SGT MOSFET，擊穿電壓等級(jí)范圍從40V到150V，適用于車(chē)載前裝及后裝等各類(lèi)中低壓應(yīng)用，包括輔助駕駛、車(chē)載信息娛樂(lè)、逆變器非高壓子系統(tǒng)里的 DC-DC 同步整流及電源開(kāi)關(guān)等功能，車(chē)身控制模塊里的電機(jī)驅(qū)動(dòng)、繼電器、負(fù)載開(kāi)關(guān)、遠(yuǎn)近大燈驅(qū)動(dòng)等功能。

今年3月，華潤(rùn)微披露公司MOSFET產(chǎn)品中中低壓占比60%，高壓產(chǎn)品占比40%，其中SGT MOSFET和SJ MOSFET在營(yíng)收中占比接近60%。

除此之外，士蘭微、東微半導(dǎo)體、揚(yáng)杰電子等上市公司都有完整的SGT MOSFET產(chǎn)品線(xiàn)。除此之外，矽普半導(dǎo)體、微碧半導(dǎo)體、安建半導(dǎo)體、廣微集成、功成半導(dǎo)體等多家本土功率半導(dǎo)體廠商已經(jīng)推出了SGT MOSFET產(chǎn)品。

比如安建半導(dǎo)體今年5月推出了針對(duì)大電流高功率應(yīng)用的SGT MOSFET產(chǎn)品系列，提供頂部散熱TOLT封裝和雙面散熱的DFN5x6 DSC封裝，有30V和100V兩種型號(hào)，其中JKQ8S23NN擊穿電壓100V，漏極最大電流高達(dá)315A，驅(qū)動(dòng)電壓為10V時(shí)，導(dǎo)通電阻最高為1.5mΩ。

小結(jié)

SGT MOSFET在中低電壓場(chǎng)景下由于更強(qiáng)的穩(wěn)定性，更低的導(dǎo)通電阻和開(kāi)關(guān)損耗，未來(lái)對(duì)Trench MOSFET有取代的趨勢(shì)。根據(jù)QYResearch的數(shù)據(jù)，2022年全球SGT MOSGET市場(chǎng)規(guī)模約為23.5億美元，預(yù)計(jì)到2029年將達(dá)到104億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)24.4%。持續(xù)增長(zhǎng)的市場(chǎng)，也將繼續(xù)給國(guó)內(nèi)功率廠商帶來(lái)機(jī)會(huì)。