【博主簡(jiǎn)介】本人“愛(ài)在七夕時(shí)”，系一名半導(dǎo)體行業(yè)質(zhì)量管理從業(yè)者，旨在業(yè)余時(shí)間不定期的分享半導(dǎo)體行業(yè)中的：產(chǎn)品質(zhì)量、失效分析、可靠性分析和產(chǎn)品基礎(chǔ)應(yīng)用等相關(guān)知識(shí)。常言：真知不問(wèn)出處，所分享的內(nèi)容如有雷同或是不當(dāng)之處，還請(qǐng)大家海涵。當(dāng)前在各網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上均以此昵稱為ID跟大家一起交流學(xué)習(xí)！

碳化硅（SiC）功率器件作為第三代半導(dǎo)體的核心代表，憑借其高頻、高效、耐高溫、耐高壓等特性，正在新能源汽車、光伏儲(chǔ)能、工業(yè)電源等領(lǐng)域加速替代傳統(tǒng)硅基器件。

基于SiC材料制成的功率MOSFET器件非常適合大功率領(lǐng)域，SiC MOSFET器件可靠性也是產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

一、Sic功率器件的可靠性表現(xiàn)

1、高溫穩(wěn)定性

碳化硅的臨界溫度遠(yuǎn)高于硅，使得碳化硅功率器件能夠在高溫甚至惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作，從而大大提高了器件的可靠性和壽命。

2、高導(dǎo)熱性

碳化硅具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，使得器件在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量能夠快速散失，降低了熱失效的風(fēng)險(xiǎn)。

3、高飽和漂移速度

碳化硅的電子飽和漂移速度比硅高三倍多，這意味著碳化硅功率器件能夠處理更高的電流密度，從而提高了功率密度和效率。

4、低電阻率

碳化硅的電阻率遠(yuǎn)低于硅，使得碳化硅功率器件在導(dǎo)通狀態(tài)下具有更低的損耗，提高了能源利用效率。

5、抗輻射特性

碳化硅功率器件能夠在極端條件下依然保持穩(wěn)定工作，確保系統(tǒng)的可靠性，這得益于其抗輻射特性。

6、故障率變化

在典型的浴盆曲線中，碳化硅器件的故障率變化可分為三個(gè)階段：初期失效區(qū)域、可用時(shí)期區(qū)域和老化區(qū)域。通過(guò)可靠性試驗(yàn)，可以繪制出芯片的生命周期曲線，以便客戶能在安全的范圍內(nèi)使用。

7、可靠性試驗(yàn)

進(jìn)行可靠性試驗(yàn)是提升產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段，碳化硅器件在Wafer和封裝階段都要做不同的可靠性測(cè)試，以排除隱患，避免在使用過(guò)程中出現(xiàn)可避免的失效。

綜上所述，碳化硅功率器件在高溫、高壓、高電流密度等惡劣環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和可靠性，其高導(dǎo)熱性、高飽和漂移速度、低電阻率和抗輻射特性也進(jìn)一步提高了器件的壽命和效率。通過(guò)嚴(yán)格的可靠性試驗(yàn)，可以確保碳化硅功率器件在各類應(yīng)用中的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

二、 Sic MOSFET可靠性的影響因素

SiC MOSFET柵介質(zhì)和溝道界面影響器件的性能與可靠性，因此為提高器件的可靠性，需深刻理解柵氧化層等對(duì)器件的影響。

1、 柵氧化層的質(zhì)量

SiC基MOSFET器件柵氧界面處的勢(shì)壘高度較低，較低的勢(shì)壘高度使得溝道中的載流子更容易穿過(guò)勢(shì)壘進(jìn)入到氧化層，影響柵氧化層的質(zhì)量。

2、 界面電荷陷阱

界面處的電荷陷阱通過(guò)俘獲電荷降低載流子密度，通過(guò)庫(kù)倫散射降低載流子的遷移率，影響SiC MOSFET的電流能力和跨異等特性。

界面態(tài)的電荷陷阱在器件開(kāi)啟和關(guān)斷的過(guò)程中俘獲和釋放載流子，使得SiC MOSFET的閾值電壓發(fā)生漂移。SiC在氧化過(guò)程中殘留在界面處的C元素會(huì)在SiC/SiO2界面帶來(lái)較高的界面態(tài)密度。

氧化層的質(zhì)量變差以及界面電荷陷阱增大，會(huì)增大SiC MOSFET器件在高電場(chǎng)下的隧穿電流、增大漏電流、擊穿柵氧介質(zhì)，從而導(dǎo)致器件失效。

三、 SiC MOSFET器件的可靠性評(píng)估手段

高溫柵偏（HTGB-high temperature gate bias）實(shí)驗(yàn)，模擬在導(dǎo)通狀態(tài)下，樣品長(zhǎng)時(shí)間在高溫高柵壓應(yīng)力條件下的電化學(xué)特征，監(jiān)測(cè)漏電流和閾值電壓，依次來(lái)評(píng)估器件的可靠性。

高溫柵偏一般分為正向高溫柵偏實(shí)驗(yàn)和負(fù)向高溫柵偏實(shí)驗(yàn)。在高溫下施加?xùn)牌珘旱那闆r下，柵氧化層中的陷阱、可動(dòng)離子、SiC/SiO2界面處的界面態(tài)、近界面態(tài)會(huì)隨著偏壓應(yīng)力的累積發(fā)生俘獲和運(yùn)動(dòng)，高溫下施加的柵極的偏壓應(yīng)力會(huì)向柵氧化層中注入并累積一些電荷，隨著電應(yīng)力持續(xù)積累，使得閾值電壓、導(dǎo)通電阻等發(fā)生變化，造成器件失效。

可靠性試驗(yàn)條件：

1、 正偏壓HTGB：

Tj:175℃,VGS=+20V,VDS=0V,t=168h，試驗(yàn)168h后進(jìn)行器件的靜態(tài)特征對(duì)比測(cè)試；

2、 負(fù)偏壓HTGB：

Tj:175℃,VGS=-5V,VDS=0V,t=168h，并在試驗(yàn)后6、12、24、48、96、168h后進(jìn)行器件的靜態(tài)特征對(duì)比測(cè)試；

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)前后的閾值電壓以及柵漏電特性進(jìn)行對(duì)比，以閾值電壓的漂移幅度作為器件特性變化的評(píng)估依據(jù)。

四、Sic功率器件的挑戰(zhàn)與未來(lái)方向

盡管國(guó)產(chǎn)Sic功率器件進(jìn)展顯著，但仍需突破以下瓶頸：

1、成本與產(chǎn)能：6英寸晶圓良率及規(guī)模化生產(chǎn)仍需提升，以降低器件成本；

2、專利壁壘：國(guó)際巨頭在溝槽柵等技術(shù)上布局密集，國(guó)內(nèi)需加強(qiáng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)儲(chǔ)備；

3、生態(tài)建設(shè)：驅(qū)動(dòng)芯片、封裝材料等配套產(chǎn)業(yè)鏈的國(guó)產(chǎn)化率有待提高。

未來(lái)，隨著第三代半導(dǎo)體被納入國(guó)家戰(zhàn)略，政策與資本將加速資源整合。預(yù)計(jì)2025年，國(guó)產(chǎn)SiC MOSFET市場(chǎng)占有率有望突破30%，并在高頻電源、儲(chǔ)能PCS、電能質(zhì)量等領(lǐng)域建立差異化優(yōu)勢(shì)。

寫在最后的話

SiC基功率器件較Si基材料的功率器件具有更低的導(dǎo)通電阻、更高的開(kāi)關(guān)頻率、更好的耐高溫及抗輻射性能，有著較好的應(yīng)用前景。

隨著半導(dǎo)體器件技術(shù)的發(fā)展，SiC功率器件得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用，如國(guó)外的羅姆、科銳、英飛凌等都推出了自己的SiC MOSFET產(chǎn)品，當(dāng)然國(guó)內(nèi)也有SiC廠家進(jìn)軍或者已經(jīng)布局SiC MOSFET產(chǎn)品。據(jù)Yole數(shù)據(jù)顯示，全球碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將從2021年10.9億美元增長(zhǎng)至2027年62.97億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)34%。

以碳化硅（SiC）為代表的第三代半導(dǎo)體材料功率器件，在各項(xiàng)性能指標(biāo)上較現(xiàn)有Si基功率器件有飛躍性的提升，憑借其卓越性能被不斷應(yīng)用于電動(dòng)汽車、光伏發(fā)電、軌道交通和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域，正引領(lǐng)著電力電子領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命，期待國(guó)產(chǎn)SiC MOSFET器件有更好的性能和更高的可靠性。

同時(shí)、國(guó)產(chǎn)SiC功率器件正以技術(shù)創(chuàng)新為引擎，以車規(guī)級(jí)和工業(yè)高端市場(chǎng)為突破口，逐步打破國(guó)際壟斷。半導(dǎo)體行業(yè)正通過(guò)全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同和可靠性驗(yàn)證，國(guó)產(chǎn)器件不僅能“替代進(jìn)口”，更能在特定場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)“性能超越”。未來(lái)，隨著技術(shù)迭代與生態(tài)完善，中國(guó)將在在全球SiC產(chǎn)業(yè)中占據(jù)重要一席。

免責(zé)聲明

【我們尊重原創(chuàng)，也注重分享。文中的文字、圖片版權(quán)歸原作者所有，轉(zhuǎn)載目的在于分享更多信息，不代表本號(hào)立場(chǎng)，如有侵犯您的權(quán)益請(qǐng)及時(shí)私信聯(lián)系，我們將第一時(shí)間跟蹤核實(shí)并作處理，謝謝！】

審核編輯 黃宇