我国首次突破沟槽型碳化硅MOSFET芯片制造技术：开启半导体产业新篇章

近年来，随着科技的不断进步，半导体技术作为现代信息技术的基石，其发展速度日新月异。在这一领域，碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料的代表，因其独特的物理和化学特性，在电力电子、光电子、射频电子等领域展现出巨大的应用潜力。近日，国家第三代半导体技术创新中心（南京）宣布成功攻关沟槽型碳化硅MOSFET芯片制造关键技术，这不仅标志着我国在半导体高端制造领域取得了重大突破，也为新能源汽车、智能电网、光伏储能等产业的技术进步与产业升级提供了新的动力。

 

一、碳化硅材料的优势与挑战

碳化硅，作为一种宽禁带半导体材料，具有高临界击穿电场、高电子饱和迁移速率和高导热率等优良特性。这些特性使得碳化硅器件在高温、高频、高功率等极端条件下表现出色，远优于传统的硅基器件。特别是在电力电子领域，碳化硅功率器件的应用可以显著提升能效、减小体积、降低重量，对于新能源汽车、智能电网等行业的节能减排具有重要意义。

 

然而，尽管碳化硅材料优势明显，但其制造工艺的复杂性一直是制约其商业化应用的瓶颈。在碳化硅MOSFET芯片领域，目前业内应用主要以平面型结构为主。平面型碳化硅MOSFET结构工艺简单，元胞一致性较好，雪崩能量较高，但其缺点也较为明显：当电流被限制在靠近P体区域的狭窄N区中流过时，会产生JFET效应，增加通态电阻，且寄生电容较大。这些缺点限制了平面型碳化硅MOSFET在高性能应用中的表现。

 

二、沟槽型碳化硅MOSFET的优势与难点

沟槽型碳化硅MOSFET作为一种新兴的结构，通过将栅极埋入基体中形成垂直沟道，显著提升了器件的性能。具体而言，沟槽型结构可以增加元胞密度，消除JFET效应，实现最佳的沟道迁移率，从而显著降低导通电阻。此外，沟槽型结构还能实现更高的晶圆密度，有助于降低芯片使用成本。

 

然而，沟槽型碳化硅MOSFET的制造工艺远比平面型复杂。由于碳化硅材料硬度极高，要在其表面精确开槽而不损伤材料性能，对刻蚀工艺的精度、稳定性和表面质量提出了极高的要求。此外，沟槽型结构的元胞一致性较差，雪崩能量较低，也是其需要克服的技术难点。

 

三、我国首次突破的技术细节

国家第三代半导体技术创新中心（南京）历经四年自主研发，成功攻克了沟槽型碳化硅MOSFET芯片制造的关键技术难题。这一突破不仅打破了平面型碳化硅MOSFET芯片性能的“天花板”，也标志着我国在半导体高端制造领域迈出了坚实的一步。

 

据该中心技术总监黄润华介绍，关键在于工艺上的创新。碳化硅材料的高硬度要求刻蚀工艺必须达到极高的精度和稳定性，不能出现“坑坑洼洼”的现象。为此，南京中心组织了一支由核心研发团队和全线配合团队组成的精英队伍，不断尝试新工艺，最终建立了全新的工艺流程。这一流程成功突破了“挖坑”难、稳、准等难点，实现了沟槽结构的精准制备。

 

通过新工艺的应用，南京中心成功制造出了沟槽型碳化硅MOSFET芯片，其导通性能较平面型提升了约30%。这一成果不仅显著提升了器件的性能指标，还大大降低了芯片的使用成本，为沟槽型碳化硅MOSFET芯片的商业化应用奠定了坚实基础。

 

四、沟槽型碳化硅MOSFET的应用前景

沟槽型碳化硅MOSFET的成功研发，将为新能源汽车、智能电网、光伏储能等领域的技术进步与产业升级提供新的动力。以新能源汽车为例，碳化硅功率器件相比传统硅器件具有显著的省电优势，可提升续航能力约5%。而应用沟槽结构后，更是可以实现更低电阻的设计，从而在保持导通性能指标不变的情况下，实现更高密度的芯片布局，进一步降低芯片使用成本。这对于提升新能源汽车的续航能力、减轻车辆重量、降低能耗具有重要意义。

 

在智能电网领域，沟槽型碳化硅MOSFET的应用可以提升电力电子设备的效率和可靠性，有助于构建更加智能、高效、可靠的电网系统。在光伏储能领域，碳化硅功率器件的高效转换能力可以降低光伏发电系统的能量损耗，提高储能效率，促进可再生能源的广泛应用。

 

五、国内外碳化硅沟槽器件研究现状

从全球市场来看，国外在碳化硅沟槽器件的研究上起步较早，几家龙头企业如罗姆、英飞凌、日本电装、住友电工等已逐步建立起专利壁垒，产品逐步导入市场。例如，罗姆自2018年推出先进的车规级沟槽型碳化硅MOSFET以来，不断迭代升级，2020年更是开发出了第四代沟槽结构MOSFFT，进一步降低了导通电阻。英飞凌则直接选择了沟槽结构作为其主要产品方向，其第三代碳化硅MOSFET采用先进的沟槽结构，具有更低的导通损耗和开关损耗。

 

相比之下，国内在碳化硅沟槽器件的研究上仍处于起步阶段。尽管近年来我国企业在6英寸、8英寸碳化硅上发力，不断缩小与国际大厂的差距，但在沟槽型碳化硅MOSFET芯片制造技术上仍面临诸多挑战。南京中心的这一突破无疑为我国在这一领域的发展注入了新的活力，也为后续的研发工作奠定了坚实基础。

 

六、未来展望

随着新能源汽车、智能电网、光伏储能等领域的快速发展，对高性能半导体器件的需求日益迫切。沟槽型碳化硅MOSFET作为新一代高性能功率器件的代表，其市场前景广阔。南京中心的成功突破不仅为我国半导体产业的高质量发展贡献了力量，也为后续的技术研发和市场推广奠定了坚实基础。

 

未来，南京中心将继续深化在碳化硅沟槽器件领域的研究工作，不断推动技术创新和产品升级。同时，加强与国内外同行的交流合作，共同推动碳化硅功率器件产业的发展壮大。我们有理由相信，在不久的将来，我国将在碳化硅半导体领域实现更多突破，为全球半导体产业的发展贡献更多中国智慧和力量。

 

结语

国家第三代半导体技术创新中心（南京）成功突破沟槽型碳化硅MOSFET芯片制造技术，不仅是我国在半导体高端制造领域的一次重大飞跃，也是全球半导体产业发展历程中的一个重要里程碑。这一突破不仅提升了我国半导体产业的国际竞争力，也为新能源汽车、智能电网、光伏储能等领域的技术进步与产业升级提供了新的动力。我们有理由相信，在未来的发展中，我国半导体产业将继续保持强劲的发展势头，为全球科技进步和经济发展做出更大贡献。