今天这篇简单聊聊沟槽型功率MOSFET的发展史。
至2017年，沟槽型功率MOSFET业已成为全球应用最广泛的半导体器件之一，
该器件打破了MOSFET只能在半导体材料表面制造的固有认知，形成每年30亿美元的市场规模，自问世以来累计出货量远超1000亿只（2014年数据）。
如今，沟槽型功率MOSFET具备广阔的应用场景，包括计算机、电视、手机等消费电子产品，以及汽车、电机驱动、锂离子电池过热防护等关键领域，
在半导体行业内部，沟槽型MOSFET结构横向拓展至微机电系统（MEMS）、沟槽型IGBT、沟槽型超结MOSFET、横向沟槽型MOSFET以及功率集成电路，
近年更是拓展至宽禁带半导体功率器件领域（沟槽型SiC MOSFET）。
回顾沟槽型MOSFET的演变史，想必是一场有趣的体验。
先介绍背景，
1970年代末之前，双极型晶体管（BJT）是唯一可作为非自锁功率开关（nonlatching power switch）的半导体器件，
图片来源：网络
何为非自锁功率开关？
先介绍自锁型器件，
功率器件中的某些成员，一旦器件被触发导通，即使移除触发信号（如栅信号），器件仍会保持导通状态，
直到外部电路条件改变（如施加反向电压），工作状态方能改变，此即自锁型器件，
典型代表是晶闸管（Thyristor），
相应地可以定义非自锁型器件——器件导通后，只要移除or改变触发信号，器件立即关断，
典型代表是BJT和MOSFET。
各位熟悉的N沟道MOSFET器件，对栅极施加一个高于Vth的正电压，沟道开启，器件导通，
一旦VGS移除或降至Vth以下，沟道消失，器件立刻关断。
然而BJT和MOSFET亦有区别——前者电流驱动，后者电压驱动，
具体来说，BJT通过基极电流控制器件开通或关断，MOSFET通过栅源电压控制器件开通或关断，
这两种驱动方式到底有何区别？为什么电压驱动的MOSFET在大多数场景替代了电流驱动的BJT？
简单总结一下，
1、功率驱动→信号驱动
BJT本质上是一个电流放大器，为使其导通，整个导通期间需要持续提供足够大的基极电流，这意味着驱动电路本身就会产生显著损耗，
而MOSFET栅极设有二氧化硅绝缘层，直流阻抗极高，
器件导通时，只需在瞬间提供足够电流，对栅电容进行充放电，即可建立或移除栅电压，
一旦电压建立，几乎不存在持续的直流电流，因此驱动电路的功耗极低。
2、控制逻辑兼容性
BJT需要模拟电流源驱动，与数字逻辑电路（CMOS, MCU, FPGA）直接接口困难，需要额外的电平转换和电流放大，
MOSFET的栅极则是电压控制端口，可以直接由数字逻辑电平（3.3V，5V……）驱动，与控制系统的衔接更加容易。
3、热稳定性
BJT的电流增益和饱和压降具有负温度系数，
温度升高→电阻降低→电流增大→产生更多热量→更高温度，这一正反馈过程会导致热失控，
换言之，当多个BJT器件并联，最热的器件会抢走越来越多的电流，直至烧毁，因此BJT的并联需要复杂的均流设计。
而MOSFET的导通电阻具有正温度系数，
温度升高→沟道迁移率下降→导通电阻增大→电流减小→发热减缓，这一负反馈过程天然具备更优的热稳定性，
换言之，当多个MOSFET器件并联，电流会自动流向温度较低、电阻较小的器件，实现自动均流，从而具备更优可靠性。
4、开关速度
BJT是双极型器件，关断时，存储在基区和集电区的少子需被抽走、复合，于是存储时间和下降时间延长，严重限制开关速度，
MOSFET是单极型器件，导通依赖多子在电场作用下的漂移，开关速度的物理极限主要取决于寄生电容（CGS、CGD）的充放电速度，
通过改进工艺，MOSFET的开关速度可以轻松达到数百kHz甚至MHz级别，远超BJT。
5、安全工作区与二次击穿
BJT存在严重的二次击穿问题，高压大电流工况下，芯片内部电流聚集于局部热点，导致不可逆的损坏，器件安全工作区非常狭窄，
MOSFET不存在少子注入引发的二次击穿问题，安全工作区主要由热限制决定，远宽于BJT，可靠性更佳。
驱动功耗极低、控制逻辑兼容、自动均流特性、开关速度更高以及安全工作区更宽，以上五点，导致MOSFET逐渐替代BJT。
然而当时的主流MOSFET为横向器件，这种G/D/S均在半导体表面的设计并不适合功率应用，
横向、纵向器件的区别，见这篇文章，
这里以LDMOS为例，简单做些介绍，
如上，LDMOS示意图，G/D/S均在半导体表面，
主要问题有四，
1、穿通击穿（Punch-through）
横向MOSFET主要依赖漂移区横向扩展承受耐压，
当漏压升高，耗尽区沿漂移区方向横向扩展，若漂移区较窄，耗尽区贯穿至源区附近，导致源漏间电势控制能力丧失，产生大电流，进而发生穿通击穿，
若简单增加漂移区长度以提高耐压，器件导通电阻又会剧增，
因此，横向MOSFET依靠漂移区横向扩展承受耐压的结构，天然受到耐压—导通电阻的trade-off制约，不适用于高压场景。
2、回滞效应（Snapback）
MOSFET内部存在一个由源极（N+）、阱区（P阱）和漏极（N-漂移区）构成的寄生NPN双极型晶体管，
当漏压足够高，碰撞电离产生的空穴被阱区收集，抬高阱区电位，N+/P阱构成的PN结正偏，寄生晶体管导通，
一旦触发，器件会进入低电压、大电流的负阻区，导致局部过热和损坏。
3、场板诱导局部雪崩
为改善电场分布，早期横向器件常采用场板结构（金属电极延伸覆盖栅漏之间的区域，Field Plate），
然而，场板边缘会产生电场集中效应，导致栅-漏重叠区附近发生强烈的碰撞电离和局部雪崩击穿，产生高能热载流子，
这些热载流子可能注入栅氧化层，造成阈值电压漂移、迁移率退化等问题，
4、难以实现高栅宽
横向MOSFET的另一问题，是难以实现高栅宽，
任何MOSFET，导通电阻与 （沟道长度L）/（沟道宽度W） 成正比，
欲实现低电阻，必须实现较大的W，
横向器件中，沟道宽度W是通过在芯片表面平行排列多个“指状”栅极实现，
总栅宽=单指宽度×指的数量，这完全依赖二维平面布局，
1970年代，光刻技术只能实现几微米线宽，这意味着沟道长度L无法按比例缩小，栅指之间的距离很大，
于是单位芯片面积内能集成的栅宽有限，
若想获得足够大的栅宽，芯片面积将显著提升，成本随之剧增，不具可生产性。
小结：
1、1970年代末之前，BJT是唯一可作为非自锁功率开关的半导体器件，但电流控制+双极型器件，使其难以实现广泛应用，
驱动功耗极低、控制逻辑兼容、自动均流特性、开关速度更高以及安全工作区更宽，以上五点，导致MOSFET逐渐替代BJT。
2、1970年代的主流MOSFET为横向器件，G/D/S均在半导体表面，
穿通击穿、回滞效应、场板诱导局部雪崩以及难以实现高栅宽，以上四点，导致横向MOSFET不适合功率应用。
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