Mosfet产品当下主流制造工艺的对比与差异小结
2025-03-28 16:27:00
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MOSFET的不同制造工艺在结构、性能和应用上各有特点分析
一、工艺分类与核心差异
| 工艺类型 | 核心结构 | 电压范围 | 导通电阻(RDS(on)) | 开关速度 | 工艺复杂度 | 成本 | 核心优势场景 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 平面型(Planar) | 横向导电沟道，栅极平铺于表面 | <200V | 高 | 低 | 低 | 低 | 低功率消费电子 |
| 沟槽型(Trench) | 垂直沟槽栅极，电流纵向流动 | <100V | 低 | 高 | 中 | 中 | 高频DC-DC转换 |
| 深沟槽(Deep Trench) | 沟槽深度>5μm，优化电场分布 | 100-300V | 中低 | 中高 | 中高 | 中高 | 汽车电子/工业电机 |
| 多层外延(Multi-Epitaxial) | 多层外延层缓解电场集中 | >600V | 中高 | 中 | 高 | 高 | 高压工业设备 |
| 超结(Super Junction) | 交替P/N柱电荷平衡，高压低阻 | 600-900V | 极低 | 极高 | 极高 | 最高 | 新能源/高频电源 |
| SGT（屏蔽栅沟槽） | 沟槽内增设屏蔽栅（多晶硅层），降低Cgd | 30-200V | 极低 | 极高 | 极高 | 高 | 超高频开关（MHz级） |
| LDMOS | 横向扩散结构，耐压由漂移区长度决定 | 20-1000V | 中高 | 中低 | 中 | 中 | 射频功放/基站 |
二、工艺结构细节
1. 平面型（Planar）MOSFET
结构：
栅极、源极、漏极均位于硅表面，横向导电。工艺局限：
高压下导通电阻随电压平方增长（RDS(on) ∝ V²），仅适合低压场景。
2. 沟槽型（Trench）MOSFET
结构：
栅极嵌入垂直沟槽，缩短电流路径，降低导通电阻。关键改进：
相比平面型，RDS(on)降低30%-50%，但栅漏电容（Cgd）较高。
3. 深沟槽（Deep Trench）MOSFET
结构：
沟槽深度进一步增加（5-10μm），通过优化电场分布提升耐压。工艺难点：
深槽刻蚀需控制侧壁角度，避免硅片应力开裂。
4. 多层外延（Multi-Epitaxial）MOSFET
结构：
在衬底上交替生长N-/P型外延层，形成“场板”结构分散电场。典型应用：
光伏逆变器需耐受600V以上电压及频繁浪涌冲击。
5. 超结（Super Junction）MOSFET
结构：
密集排列的P/N柱实现电荷平衡，突破硅材料极限。工艺实现：
多次外延法（Infineon CoolMOS™）：逐层外延并注入形成P/N柱。
深槽填充法（Toshiba DTMOS™）：刻蚀深槽后填充P型材料。
6. SGT（屏蔽栅沟槽）MOSFET
结构：
在沟槽内增加多晶硅屏蔽层，将栅极与漏极隔离，大幅降低Cgd（仅为传统沟槽型的1/5）。性能优势：
开关损耗极低，适合MHz级高频应用（如LLC谐振拓扑）。
三、性能与应用对比
1. 导通电阻（RDS(on)）
超结/SGT：
超结在600V下RDS(on)可低至10mΩ·cm²，SGT在100V以下可达0.5mΩ·cm²。
多层外延：
高压下RDS(on)较高（约100mΩ·cm²@600V），但可靠性强。
2. 开关速度
SGT/超结：
SGT因Cgd极低，开关速度达5-10ns，支持MHz级开关频率（如服务器电源）。
超结开关速度约20ns，适合100-500kHz应用（如光伏逆变器）。
3. 高频损耗
SGT：
通过屏蔽栅降低Cgd，显著减少开关损耗（Qgd≈1nC，传统沟槽型约5nC）。沟槽型：
无屏蔽栅设计，高频下损耗较高。
四、典型应用场景
| 工艺 | 核心应用 | 代表产品 |
|---|---|---|
| 平面型 | 手机充电器、小家电电源 | Infineon OptiMOS™ 5系列 |
| 沟槽型 | 无人机电调、电动工具电池管理 | Vishay TrenchFET® Gen IV |
| 深沟槽 | 汽车LED驱动、48V轻混系统 | ROHM EcoTrench™ 系列 |
| 多层外延 | 电焊机、工业UPS | STM MDmesh™ M6 |
| 超结 | 电动汽车充电桩、储能变流器 | Infineon CoolMOS™ C7系列 |
| SGT | 服务器电源（80Plus钛金）、5G基站电源 | Toshiba DTMOS™ SGT系列、ON Semi Q系列 |
| LDMOS | 汽车雷达（77GHz）、基站射频功放 | NXP A2T系列 |
五、代表厂商与技术路线
| 厂商 | 优势工艺 | 明星产品 | 技术突破 |
|---|---|---|---|
| Infineon | 超结、深沟槽 | CoolMOS™ C7、StrongIRFET™ | 900V超结MOSFET，兼容SiC混合封装 |
| Toshiba | SGT、超结 | DTMOS™ SGT系列 | 屏蔽栅沟槽技术降低Cgd>80% |
| ON Semi | SGT、超结 | Q系列、SuperFET® 4 | 集成快速体二极管（Trr<100ns） |
| STMicro | 多层外延、平面 | MDmesh™ M9、STripFET™ F7 | 多层外延+场板优化雪崩能力 |
| Rohm | 深沟槽、SGT | EcoTrench™ NexGen | 低Qg设计（Qg<50nC） |
| Vishay | 沟槽、SGT | TrenchFET® Gen V、SiSxxx系列 | 超低RDS(on)（0.4mΩ@40V） |
六、选型建议
电压与频率：
<100V/高频：首选SGT（如服务器电源）；
600V+/中频：超结（如光伏逆变器）；
射频领域：LDMOS（基站功放）。
损耗权衡：
高频场景需关注Qg（栅极电荷）和Qgd（米勒电荷），SGT最优；
高压场景需平衡RDS(on)与耐压能力，超结占优。
七、技术趋势
SGT成为高频领域主流：
数据中心电源需求推动SGT工艺市占率快速提升，逐步替代传统沟槽型。超结与SiC的竞争：
在800-1200V范围，超结通过工艺优化（如Infineon CoolMOS™ CFD7）与SiC MOSFET争夺市场。集成化与智能化：
封装技术：如QFN 5x6、DirectFET，提升散热和功率密度；
智能驱动：集成温度/电流传感（如ST MasterGaN）。
总结
追求高频高效：SGT > 超结 > 沟槽型；
高压高可靠性：超结 > 多层外延；
成本敏感型：平面/沟槽型；
射频/汽车雷达：LDMOS。
通过工艺结构优化（如SGT屏蔽栅）与材料创新（如SiC），MOSFET持续向高频、高压、低损耗方向演进。
