- 關于SiC功率半導體可靠性全面解析

- 「SysPro電力電子」知識星球節選- 文字原創，素材來源：英飛凌，網絡- 本篇為節選，完整內容會在知識星球發布，歡迎學習、交流

導語：隨著電力電子技術的不斷發展，碳化硅（SiC）作為一種新型的半導體材料，因其更高的效率和更好的熱性能，正逐漸成為功率器件領域的明星。然而，與硅（Si）器件相比，SiC器件在材料特性和運行模式上存在顯著差異，因此其可靠性和質量控制成為了一個重要議題。

今天，我們來聊聊SiC功率半導體可靠性的話題，探討下如何控制和測量基于SiC的功率半導體器件的可靠性？為了更好的解答這個疑問，我們從多個方面進行剖析：

SiC材料的基本特性及其對功率器件的影響是什么？

為什么SiC器件在可靠性驗證方面需要做額外的試驗（相比Si）？

如何控制SiC MOSFET柵極氧化層缺陷?

如何通過科學、合理方法，準確測量SiC MOSFET的失效概

目錄1.為什么SiC功率半導體的可靠性要特別注意？1.1 SiC材料的基本特性1.2 SiC材料對功率器件的影響1.3 SiC材料對功率器件的影響2. SiC MOSFET邁向商業化的關鍵問題：柵極氧化層可靠性(知識星球發布)2.1 柵極氧化層的關鍵作用2.2 柵極氧化層面臨的挑戰和影響2.3 為什么要關注柵極氧化層可靠性？2.4 SiC Mosfer柵極氧化層缺陷圖示說明3. 如何控制SiC MOSFET柵極氧化層缺陷？(知識星球發布)3.1 基本方法邏輯3.2 如何設置"篩子"?4. 如何準確測量SiC MOSFET的失效概率？-兩種方法(知識星球發布)

4.1 "馬拉松應力試驗"的故事

4.2 "柵極電壓步進應力試驗"的故事

5. 結語

備注：本篇為節選，完整版內容在知識星球中發布

01

為什么SiC功率半導體的可靠性要特別注意？

我們從SiC基本特性入手，然后看看對功率器件的影響，最后從可靠性驗證角度說明：為什么SiC要做一些額外的試驗（相對Si）？

1.1 SiC材料的基本特性

SiC是一種由碳（C）和硅（Si）組成的化合物半導體材料，具有許多優異的物理和化學特性。首先，SiC的絕緣擊穿場強度遠高于Si，達到Si的10倍左右，這意味著SiC器件可以在更高的電壓下工作而不發生擊穿。其次，SiC的禁帶寬度是Si的3倍，這使得SiC器件在高溫下仍能保持較好的性能。此外，SiC還具有高熱導率、高電子飽和漂移速率等特性，這些特性共同決定了SiC功率器件在高溫、高頻、大功率應用中的優勢。

1.2 SiC材料對功率器件的影響

由于SiC材料的特性，基于SiC的功率器件在設計和制造過程中面臨許多新的挑戰。

首先，SiC材料的各向異性導致其在不同晶向上的物理和化學性質存在差異，這要求在器件設計和制造過程中必須充分考慮晶向的影響。其次，SiC材料的缺陷結構比Si更為復雜，包括基底面位錯（BPD）、堆垛層錯等，這些缺陷可能對器件的性能和可靠性產生不利影響。此外，SiC材料與SiO2的界面特性也與Si存在顯著差異，這要求我們在制備柵極氧化層時必須采用更為精細的工藝。

圖片來源：網絡

1.3 SiC材料對功率器件的影響

通過上面的解釋，可以看出：雖然SiC器件能借用Si器件的很多概念和工藝技術，但SiC材料本身有些特別的地方。下面是一些需要做額外試驗的原因：

材料特性不同：SiC材料和Si不一樣，它有自己特定的缺陷結構、各向異性（就是不同方向上的性質不同）、機械性能和熱性能。這些都要特別關注，看看它們會不會影響器件的可靠性。

帶隙大：SiC的帶隙比硅大，這會影響MOS器件的界面陷阱密度和動力特性。所以，要專門測試這方面，看看b。

運行電場強：SiC器件能在更高的電場下工作，特別是器件邊緣，設計得好的話，電場能增強10倍左右。但這可能對氧化層的壽命有影響，所以要特別測試氧化層的可靠性。

高壓快速開關：SiC器件能在高壓（比如超過1000V）下快速開關（開關速度超過50V/ns），這種新的運行模式也要特別測試，看看器件能不能穩定工作。

這些額外的試驗幾乎會影響到所有的質量認證試驗。比如，因為力學特性不同、功率循環試驗的結果也會不一樣。而且，SiC器件的氧化層可靠性試驗還要特別關注阻斷模式下的穩定性，這是Si器件不需要的。

圖片來源：Onsemi

02

SiC MOSFET邁向商業化的關鍵問題：柵極氧化層可靠性

多年來，SiC MOSFET的柵極氧化層早期失效問題一直是我們從技術走向商業化道路上的一塊絆腳石，也讓人們懷疑SiC MOS開關是否能像Si技術那樣值得信賴？但好在過去的十年里，SiC技術逐漸走向成熟，這里面的關鍵正式：SiC MOS器件的柵極氧化層可靠性的明顯提升。那么，為什么要關注柵極氧化層可靠性呢？具體又有哪些問題是我們要必須解決的？這些問題來源何處呢？我們一起看看。

2.1 柵極氧化層的關鍵作用

柵極氧化層是SiC MOSFET器件中的核心部分，位于柵極與半導體之間。它通常由二氧化硅（SiO?）構成（下圖右側綠色區域），起到絕緣和電容的雙重作用。柵極氧化層的質量直接決定了SiC MOSFET溝道的性能，進而影響整個器件的工作效率和穩定性。

圖片來源：SysPro

2.2 柵極氧化層面臨的挑戰和影響

（知識星球發布）

2.3 為什么要關注柵極氧化層可靠性？

（知識星球發布）

圖片來源：Yole

2.4 SiC Mosfer柵極氧化層缺陷圖示說明

（知識星球發布）

下面我們通過一張圖片來看看SiC Mosfer柵極氧化層缺陷來源于何處？首先要說明的是：雖然SiC器件上的SiO2和Si器件上的SiO2在物理擊穿場強上可能有些差別，但它們的整體擊穿穩定性其實是差不多的。那為什么SiC MOSFET的柵極氧化層可靠性還是不如Si MOSFET呢？原因主要在于一些“外在”的缺陷。......那么，針對這些在SiC制取時帶來的柵極氧化層雜質缺陷，我們要如何控制和保證呢？我們繼續來聊聊。

03如何控制SiC MOSFET柵極氧化層缺陷？

（知識星球發布）

在制造SiC MOSFET時，由于SiC材料上制取的柵極氧化層容易含有更多雜質缺陷，所以它的早期失效概率通常比Si要高。可以參考下圖（韋伯分布的示意圖），SiC MOSFET的柵極氧化層外在缺陷密度比Si MOSFET高出很多

......

那么，針對這些在SiC制取時帶來的柵極氧化層雜質缺陷，我們要如何控制和保證呢？下面我們參考英飛凌的建議，一些來學習了解下。

3.1 基本方法邏輯

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3.2 如何設置"篩子"?

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圖片來源：網絡

04如何準確測量SiC MOSFET的失效概率？兩種方法

（知識星球發布）

為了準確預測SiC器件在正常工作條件下的失效概率，探究導致器件早期失效的原因，我們需要進行...

但是，上述方法并不適合研究器件在整個使用壽命和正常工作條件（電壓、溫度）下可能發生的故障。為了解決這個問題，一般有兩種新的試驗方法，來驗證所有器件的篩查結果以及柵極氧化層的可靠性，我們下面一起來看看。

4.1 "馬拉松應力試驗"的故事...

4.2 "柵極電壓步進應力試驗"的故事

...圖片來源：網絡