在过去四十年中，利用平面和沟槽技术，碳化硅(SIC)mosfet已从高电阻、低良率的晶体管发展为高性能、可量产的MOSFET。平面架构提供了早期的活力和可靠性，而沟槽技术则克服了平面结构的局限性，推动SiC MOSFET实现了更低的比导通电阻(RDS(on))、更高的单元密度，并利用200毫米衬底晶圆获得了更好的功率密度。最近，超结(SJ)架构的出现，进一步将其性能推向新的高度。采用超结技术的SiC MOSFET有望在RDS(on)、更高击穿电压(BV)、降低开关损耗和短路耐受能力方面带来进一步改进。

在近期于美国德克萨斯州圣安东尼奥举行的2026年IEEE应用电力电子会议暨展览会(APEC，3月22-26日)上，主要半导体制造商齐聚一堂，展示了他们在宽禁带(WBG)和超宽禁带(UWBG)半导体领域的最新进展，其中包括采用超结技术的SiC MOSFET。

虽然这些器件尚未成为商业市场的主流，但将高压(HV)，特别是1200V及以上的超结SiC MOSFET从研究转向商业化的努力正在进行中。推动这一进程的主要供应商包括英飞凌科技、博世、意法半导体、纳微半导体、罗姆半导体、东芝电子器件与存储、三菱电机和富士电机。与此同时，市场研究机构Yole Group预测，随着200毫米晶圆的增长，基于超结的SiC MOSFET将在2027年和2028年的某个时候取得进展。

将概念转化为商业现实

去年五月，英飞凌科技股份公司推出了一种基于沟槽的碳化硅超结(TSJ)技术概念(图1)，该技术结合了基于沟槽的SiC技术和基于硅的SJ技术(如CoolMOS)的优点。

图1

据英飞凌称，创新的CoolSiC TSJ技术有望在不影响短路能力的情况下，将Rds(on)*A 提升高达40%，从而实现高达25%的电流能力提升。借助SiC TSJ技术，英飞凌计划通过提供多种封装选项来扩展其CoolSiC产品组合，包括分立器件、模塑和框架式模块以及裸芯片。扩展后的CoolSiC产品组合将同时面向汽车和工业应用。

目前，该制造商正在提供采用ID-PAK封装的1200V TSJ CoolSiC产品样品，并计划于2027年使用200毫米晶圆进行量产。其目标应用是汽车牵引逆变器，电动汽车(EV)充电器也在开发中。这个可扩展的封装平台支持高达800 kW的功率水平，实现了高度的系统灵活性。尽管该封装尚未得到ISO或IEEE等标准开发组织(SDO)的考虑，但正在努力制定行业标准(例如JEDEC固态技术协会)，这可能需要一些时间。

在与英飞凌科技SiC专家Peter Friedrichs的一次虚拟会议中，Friedrichs表示，基于TSJ的1200V CoolSiC器件目前正在进行电气特性表征和验证，计划在年底或2027年初发布产品数据手册。Friedrichs指出：“测试结果表明，1200V器件的RDS(on)可以低于10 mΩ，甚至低至5 mΩ。”他补充说，TSJ技术正在不断改进，以在没有明显漏电流的情况下保持稳定的高压运行。

此外，他指出，“正在努力确保TSJ结构的P柱和N柱良好对齐，以实现卓越的电荷平衡，从而显著降低比导通电阻(Ron,sp)。”Friedrichs继续说道：“同时，工程师们正在确保TSJ结构在SiC衬底上保持高质量、无缺陷的漂移区，从而能够精确控制高击穿电压、低导通电阻和高器件可靠性所需的外延掺杂浓度和厚度。”

谈到高击穿电压，Friedrichs表示，下一代TSJ SiC MOSFET将在未来几年内专注于高于1200V的击穿电压。不过，未提供更多细节。

现代汽车公司是英飞凌1200V TSJ SiC MOSFET的早期采用者之一，该公司计划利用该技术实现更高效、更紧凑的汽车动力系统设计。确切地说，这家韩国公司将在其用于800V电气全球模块化平台(E-GMP)电动汽车的HybridPACK模块中使用这款1200V SiC MOSFET。

另一家受益于英飞凌基于TSJ的1200V CoolSiC MOSFET的汽车制造商是丰田。在最近的一份新闻稿中，这家日本汽车制造商表示，将把这些器件集成到bZ4X车型的车载充电器和DC-DC转换器中。

更多SiC供应商加入SJ技术推动行列

德国博世是SiC SJ MOSFET技术的另一个关键推动者。刚刚发布了第三代(Gen 3)SiC晶体管，博世继续推动SiC MOSFET垂直沟槽技术的性能提升。目前，这家德国SiC制造商正朝着第四代和第五代技术迈进。

事实上，根据该公司的白皮书，第五代标志着在博世SiC MOSFET中引入SJ技术的新里程碑，同时保持了前几代技术的进步。该制造商的目标是在2031年开始生产其第五代器件，但通常会在量产前两年开始向关键客户提供样品。

然而，宽禁带(WBG)技术首席专家Jens Baringhaus表示：“SiC超结技术的新颖性意味着我们打算更早地开始向一批精选的领先客户提供样品。”尽管这位首席专家没有透露汽车客户的名称，但他表示，博世的TSJ SiC MOSFET设计具有广泛的适用性，适用于任何汽车牵引逆变器。

Baringhaus表示，第五代器件的单元架构建立在第四代技术之上，并通过SJ漂移区进行了增强，如图2所示。

图2

据Baringhaus称，“TSJ SiC MOSFET商业化的主要挑战在于优化制造工艺。技术的选择至关重要，因为次优的工艺可能导致高生产成本并削弱器件的性价比优势。”此外，他继续说：“制造方法直接影响关键电气参数，如开关损耗。因此，我们的进展重点是投入大量精力来识别和完善理想的工艺流程，以创建一款在成本和性能上都得到优化的器件。”

关于导通电阻，该公司预计其1200V第五代器件与第四代技术相比，Ron,sp将降低40%(图3)。

图3

这位首席专家解释说，按绝对值计算，这意味着在175°C结温下，Ron,sp低于2 mΩ·cm²。SJ技术显著降低了漂移区电阻，这是传统SiC MOSFET中的主要组成部分。“当我们掌握这一点后，其他电阻因素(如沟道和衬底)将成为新的优化重点。因此，第五代是重要的一步，但并非我们路线图的终点。我们预见到未来多代TSJ SiC MOSFET将具有逐步降低的导通电阻，”Baringhaus指出。

当被问及TSJ SiC MOSFET是否有计划超越1200V时，这位首席专家表示：“我们计划在1200V级别成功建立该技术后，将其应用于更高电压的器件。”博世目前提供高达1700V的传统SiC MOSFET，并正在积极探索更高电压的能力。Baringhaus断言，TSJ架构非常适合这些应用。

在封装方面，博世表示，其TSJ SiC MOSFET的设计与传统SiC MOSFET兼容所有标准功率封装。博世补充说，不需要独特的组装或封装技术，确保其合作伙伴能够直接集成。由于第五代TSJ SiC MOSFET与为传统SiC MOSFET设计的任何功率模块架构兼容，这促进了广泛的合作机会。

虽然意法半导体、纳微半导体和罗姆正在利用传统沟槽结构与SJ技术相结合的优势，但在本文准备时，他们尚未准备好透露他们在此领域的成果。同时，在APEC 2026上，东芝重申了其致力于通过使用深势垒结构和嵌入式SJ肖特基势垒二极管(SJ-SBD)来推进1200V SiC MOSFET的发展，以实现低导通电阻和高可靠性。

新兴趋势

在几年前启动的ARPA-E项目下，GE Aerospace的研究人员开发了一种新颖的制造方法，利用超高能量深离子注入和外延过生长来制造>3.3 kV的器件。结果表明，GE研究人员成功演示了3.5 kV SiC SJ深注入结势垒肖特基(JBS)二极管和5 kV SiC SJ深注入MOSFET，具有创纪录的低Ron,sp和高击穿电压。同时，对于需要高效率和高压的国防和航空应用，GE Aerospace正在与Axcelis Technologies合作，利用高能离子注入开发6.5 kV至10 kV的SiC SJ MOSFET。

在日本，由产业技术综合研究所(AIST)领导，包括住友电工、富士电机、丰田汽车公司、东芝公司和三菱电机在内的合作研究团队，共同开发了一款1170V的SJ SiC MOSFET，其Ron,sp低至0.63 mΩ·cm²。此外，该团队还开发了一款3.3 kV版本，在室温和175°C下分别实现了3.3 mΩ·cm²和6.2 mΩ·cm²的Ron,sp。

在过去几年中，中国研究人员在开发具有更低Ron,sp的1200V至3.3 kV SJ SiC MOSFET方面取得了显著进展。为了提升性能，研究人员采用了沟槽栅极结构、高k电介质和集成SBD等技术。例如，大连理工大学的科学家提出了一种带有屏蔽栅极结构的SJT SiC MOSFET，其Ron,sp降低了71%，同时栅-漏电容和品质因数(FOM)也得到了显著改善。

同时，为了降低成本，中国的浙江晶盛机电宣布了从8英寸(200毫米)到12英寸(300毫米)SiC晶圆生产线的重大转型。另一家启动12英寸衬底生产线的主要中国制造商是天科合达(SICC)。

同样，今年早些时候在美国，Wolfspeed生产了单晶300毫米SiC晶圆，以加速从200毫米到300毫米生产的过渡，并提供新兴AI数据中心、电动汽车传动系统和充电器以及可再生能源系统所需的成本效率。