替代Trench MOSFET？国产SGT MOSFET产品井喷

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）近几年第三代半导体在功率器件上发光发热，低压消费应用上GaN器件统治充电头市场，新能源汽车高压平台上SiC器件逐渐成为标配。在硅基功率器件领域，借助新能源的东风，IGBT、超结MOSFET等中高压产品也受到了更多关注，不过面对第三代半导体在新能源领域的强势冲击，未来增速面临放缓迹象。
 
然而在低压领域的硅基MOSFET市场，SGT MOSFET正在获得快速增长。SGT MOSFET在性能上带来了新的升级，并逐步取代传统的Trench（沟槽）MOSFET。
 
SGT MOSFET是什么
 
SGT MOSFET全称Shielded Gate Trench MOSFET，即屏蔽栅沟槽MOSFET。SGT MOSFET基于传统沟槽MOSFET，通过结构的改进从而提升稳定性、低损耗等性能。传统平面型MOSFET中，源极和漏极区域是横向布局的，栅极在源极和漏极区域的上方，形成一个平面结构。
 
沟槽MOSFET则是源极和漏极区域垂直于半导体表面，栅极被嵌入到硅片中的沟槽内，形成垂直结构。

左：传统沟槽MOSFET，右：SGT MOSFET  图源：功成半导体

 
如上图所示，在结构上，相比传统的沟槽MOSFET，SGT MOSFET采用深沟槽结构，“挖槽”更加深入，栅极被嵌入到硅片的深槽中。同时SGT MOSFET在沟槽内部有一层多晶硅栅极（主栅极），其上方还有一层多晶硅屏蔽栅极，这个额外的屏蔽栅极可以调节沟道内的电场分布，从而降低导通电阻并提高开关性能。
 
由于屏蔽栅的存在，SGT MOSFET可以更有效地控制电场分布，从而减少寄生效应，降低开关损耗和导通损耗。也由于结构和更优的电场分布，SGT MOSFET可以在相同的击穿电压下使用更小的单元尺寸，从而减小芯片面积。
 
所以，SGT MOSFET相比传统的沟槽MOSFET，导通电阻和开关损耗可以更低，尤其是在中低压的应用领域中，屏蔽栅结构有助于提高器件可靠性，其高效率以及紧凑的芯片尺寸也能够更加适合这些应用。
 
另外，封装技术也对SGT MOSFET的可靠性和功率密度有很大关系。比如捷捷微电推出的高功率薄型封装PowerJE系列的SGT MOSFET，相比传统的TO-263-3L 封装，面积少了20%、高度降低了45%。在大幅度减少占用空间的同时，有效地提高功率密度，适合极为紧凑的终端设计。热阻表现优越而散热效果更好，进一步保证器件的长期可靠性。
 
国产厂商井喷，在低压应用加速取代沟槽MOSFET
 
在SGT MOSFET领域，依然是海外半导体巨头主导市场，英飞凌、安森美、AOS等海外巨头起步较早，产品市占率较高。不过国内新洁能、捷捷微电、华润微等厂商在近几年势头正猛，成功研发SGT MOSFET的同时，也跟随国产替代的风潮获得了市场成功。
 
另一个关键的节点是，2021年的全球芯片缺货潮中，SGT MOSFET使用的成熟制程产能尤为紧缺。同时在缺芯潮的中心，汽车芯片作为高价值高利润的产品，各大芯片巨头都优先力保汽车芯片的产能，当然其中也包括了功率半导体，因此一些汽车以外的功率半导体器件，比如SGT MOSFET的产能就更加短缺了。
 
于是海外芯片巨头只能将订单转手到一些国内的代工厂商，这给国内的SGT MOSFET工艺制造的提升有了很大的帮助。以往国内只有几家规模较大的IDM厂商可以制造SGT MOSFET，但这次缺芯危机则变相地带动了更多国内功率半导体厂商在SGT MOSFET上的开发进程。
 
新洁能在国内是较早开发SGT MOSFET的功率厂商之一，目前其SGT MOSFET产品线已经迭代到第三代，官网显示，新洁能第一代N沟道SGT-I系列功率MOSFET击穿电压等级范围为30V至250V；第二代产品击穿电压等级范围从30V至120V，面向性能与鲁棒性要求极为苛刻的低频应用，新洁能N沟道SGT-II系列产品进一步优化了大电流关断能力与静电防护能力，可满足包括直流电机驱动、锂电池保护、AC/DC同步整流等广泛应用。此外，相比于新洁能上一代SGT-I系列产品，SGT-II系列产品特征导通电阻Ron,sp降低20%，FOM值降低20%。
 
目前最新的第三代SGT-III系列，则相比上一代产品特征导通电阻降低20%以上，ESD能力、大电流关断能力、短路能力提升10%以上，同时具有更优的EMI特性。
 
捷捷微电早在2021年就推出了多款JSFET 30 ~ 150V 系列SGT MOSFET产品，并后续推出了多款车规级SGT MOSFET，击穿电压等级范围从40V到150V，适用于车载前装及后装等各类中低压应用，包括辅助驾驶、车载信息娱乐、逆变器非高压子系统里的 DC-DC 同步整流及电源开关等功能，车身控制模块里的电机驱动、继电器、负载开关、远近大灯驱动等功能。
 
今年3月，华润微披露公司MOSFET产品中中低压占比60%，高压产品占比40%，其中SGT MOSFET和SJ MOSFET在营收中占比接近60%。
 
除此之外，士兰微、东微半导体、扬杰电子等上市公司都有完整的SGT MOSFET产品线。除此之外，矽普半导体、微碧半导体、安建半导体、广微集成、功成半导体等多家本土功率半导体厂商已经推出了SGT MOSFET产品。
 
比如安建半导体今年5月推出了针对大电流高功率应用的SGT MOSFET产品系列，提供顶部散热TOLT封装和双面散热的DFN5x6 DSC封装，有30V和100V两种型号，其中JKQ8S23NN击穿电压100V，漏极最大电流高达315A，驱动电压为10V时，导通电阻最高为1.5mΩ。
 
小结
 
SGT MOSFET在中低电压场景下由于更强的稳定性，更低的导通电阻和开关损耗，未来对Trench  MOSFET有取代的趋势。根据QYResearch的数据，2022年全球SGT MOSGET市场规模约为23.5亿美元，预计到2029年将达到104亿美元，年复合增长率高达24.4%。持续增长的市场，也将继续给国内功率厂商带来机会。