本文档属于类型b，是一篇由多位资深专家合作撰写的综述性论文，探讨了沟槽功率MOSFET（trench power MOSFET）的发展历史、关键技术及未来前景。以下是详细报告：
作者及发表信息
本文由Richard K. Williams（IEEE高级会员）、Mohamed N. Darwish（IEEE高级会员）、Richard A. Blanchard（IEEE终身高级会员）等6位来自学术界与工业界的专家合作撰写，发表于2017年3月的《IEEE Transactions on Electron Devices》期刊。作者分别来自Adventive Technology、MaxPower Semiconductor、Infineon Technologies等机构，涵盖美国、奥地利、英国、日本的研究力量。
主题与背景
论文主题围绕沟槽功率MOSFET（trench power MOSFET，又称垂直沟槽VDMOS）展开，系统梳理了其技术演变、核心创新及未来应用方向。该器件是当今最普及的半导体器件之一，年市场规模达30亿美元，累计出货超1000亿颗，广泛应用于计算机、汽车电子、锂电池保护等领域。
科学背景：
1. 技术替代需求：早期双极晶体管（BJT）因速度慢、驱动电流高、热失控等问题难以满足功率开关需求，而传统平面MOSFET受制于耐压能力与导通电阻的矛盾（“硅极限”）。
2. 沟槽结构的突破：通过垂直沟槽栅极设计，解决了平面VDMOS的寄生JFET效应和VMOS（V形槽MOSFET）的制造难题，实现高密度单元结构与低导通电阻。
核心观点与论据
1. 技术演变与关键创新
- 起源：1970年代的VMOS通过双扩散（double diffusion）工艺实现亚微米沟道，但受限于化学刻蚀的几何限制和台阶覆盖问题。
- 转折点：1985年Ueda首次提出反应离子刻蚀（reactive ion etching, RIE）的矩形沟槽结构，但因工艺未成熟未能商业化。
- 核心突破：
- 平面化工艺：Blanchard提出多晶硅填充与回刻（polysilicon fill and recessed etchback），解决了台阶覆盖问题。
- 电场屏蔽：单元深P+钳位（deep p+ clamp）和“1-of-N分布式钳位”技术，兼顾耐压与导通电阻优化。
- 制造可靠性：通过<110>晶向硅片、牺牲氧化层（sacrificial oxide）及角部离子阻挡（corner blocking）解决栅氧可靠性问题。
支持数据：
- 1989年首个商用沟槽VDMOS单元密度达1.3 Mcells/cm²（30V器件），导通电阻降至25 mΩ·mm²。
- 采用1-of-16分布式钳位后，单元密度提升至5 Mcells/cm²，导通电阻降低50%。
2. 高频开关性能优化
- 问题：高单元密度导致栅电荷（gate charge, Qg）和反馈电容（Cgd）增加，影响开关效率。
- 解决方案：
- 厚底部氧化层（TBOX）：通过局部厚氧减少Cgd，但需精确控制刻蚀深度。
- 分裂栅（split-gate）：Baliga提出的分离栅与埋场板（buried field plate）结构，将Qgd降低75%（从27 nC至7 nC）。
- 电荷平衡技术：
- 超结（superjunction, SJ）：交替P/N柱实现电荷补偿，突破硅极限（如600V SJ器件的导通电阻仅79 mΩ·mm²）。
- MOS电容平衡（RSO）：通过场板诱导漂移区耗尽，避免P柱工艺复杂度。
实验验证：
- 分裂栅结构在10V驱动下，Qg从93 nC降至40 nC，开关品质因数（Qg·Rds）优化至20 nC·mΩ（30V器件）。
3. 可靠性设计与未来方向
- 热与电流监测：集成温度传感器（2.2 mV/℃的PN结）和电流镜像（current mirror），实现过温/过流保护。
- 宽禁带材料应用：
- 碳化硅（SiC）：双沟槽SiC VDMOS阻断电压达1260V，导通电阻141 mΩ·mm²，但界面态问题亟待解决。
- 氮化镓（GaN）：沟槽GaN MOSFET耐压180V，但栅介质稳定性仍是挑战。
行业趋势：
- 器件设计趋向应用专用化（如DC/DC转换器、同步整流），而非单一技术路径。
论文价值与意义
- 学术价值：系统总结了沟槽功率MOSFET的工艺-性能-可靠性协同优化方法，为器件物理研究与工艺开发提供完整框架。
- 产业影响：梳理了关键技术节点（如分布式钳位、分裂栅），指导高性能器件设计；宽禁带材料的探讨为下一代功率电子指明方向。
- 历史意义：记录了从VMOS到现代超结器件的40年技术演进，凸显了产学研协同创新的重要性。
亮点总结
- 工艺创新：多晶硅回刻与分布式钳位推动单元密度突破100 Mcells/cm²。
- 理论突破：电荷平衡技术（SJ/RSO）打破硅极限，实现超低导通电阻。
- 跨学科应用：沟槽技术衍生至MEMS、IGBT等领域，展示工艺复用潜力。