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碳化硅(SiC)MOSFET的柵氧可靠性成為電力電子客戶應(yīng)用中的核心關(guān)切點(diǎn)

楊茜 ? 來(lái)源:jf_33411244 ? 作者:jf_33411244 ? 2025-04-03 07:56 ? 次閱讀
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為什么現(xiàn)在越來(lái)越多的客戶一看到SiC碳化硅MOSFET功率器件供應(yīng)商聊的第一個(gè)話題就是碳化硅MOSFET的柵氧可靠性,碳化硅(SiC)MOSFET的柵氧可靠性成為電力電子客戶應(yīng)用中的核心關(guān)切點(diǎn),其背后涉及材料特性、工藝挑戰(zhàn)、應(yīng)用場(chǎng)景的嚴(yán)苛性以及產(chǎn)業(yè)鏈成熟度的多重博弈。

客戶的電力電子研發(fā)工程師在與國(guó)產(chǎn)SiC MOSFET供應(yīng)商交流時(shí)首先聚焦于柵氧可靠性問(wèn)題,這一現(xiàn)象也確實(shí)反映了對(duì)國(guó)產(chǎn)碳化硅功率器件市場(chǎng)亂象魚(yú)龍混雜現(xiàn)狀的深層次擔(dān)憂。

應(yīng)用場(chǎng)景的嚴(yán)苛要求

電動(dòng)汽車(chē)/充電樁:頻繁啟停和溫度循環(huán)下,柵氧可靠性影響逆變器壽命。

可再生能源逆變器:需在野外惡劣環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)十年,柵氧退化可能導(dǎo)致發(fā)電效率下降。

工業(yè)電源:高功率密度設(shè)計(jì)下,局部過(guò)熱可能加速柵氧失效。

電力電子研發(fā)工程師關(guān)注SiC MOSFET的柵氧可靠性,本質(zhì)上是因?yàn)闁叛趸瘜樱⊿iO?)的缺陷直接影響器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和壽命。而通過(guò)TDDB(Time-Dependent Dielectric Breakdown,時(shí)間相關(guān)介電擊穿)實(shí)驗(yàn)是評(píng)估柵氧可靠性的核心方法,能夠量化柵氧化層的失效風(fēng)險(xiǎn)。

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TDDB實(shí)驗(yàn)的核心流程與參數(shù)解析

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

加速應(yīng)力條件

電場(chǎng)加速:施加高于額定值的柵極電壓(如額定18V,測(cè)試+40V)。

溫度加速:通常在125℃~175℃下測(cè)試,模擬高溫環(huán)境對(duì)柵氧的退化效應(yīng)。

樣本數(shù)量:需測(cè)試足夠樣本(如30~50顆芯片)以覆蓋工藝波動(dòng)。

測(cè)試模式

恒定電壓法(CVS):保持恒定柵壓直至擊穿,記錄擊穿時(shí)間(TBD)。

斜坡電壓法(RVS):逐步升高柵壓直至擊穿,記錄擊穿電壓(VBD)。

關(guān)鍵參數(shù)分析

擊穿時(shí)間分布(Weibull分布)
TDDB數(shù)據(jù)通常符合Weibull統(tǒng)計(jì)模型:

F(t)=1?exp[?(ηt)β]

形狀參數(shù)(β):反映失效分布的離散程度。β>1表示早期失效風(fēng)險(xiǎn)高(工藝缺陷多)。

特征壽命(η):63.2%樣本失效的時(shí)間,直接表征柵氧壽命。

國(guó)產(chǎn)器件常見(jiàn)問(wèn)題:β值偏低(如β<2),表明工藝一致性差;η值可能僅為國(guó)際產(chǎn)品的1/5~1/10。

電場(chǎng)加速因子(EAF)
通過(guò)不同電場(chǎng)下的TDDB數(shù)據(jù),擬合電場(chǎng)加速模型(如E-model):

TTF∝exp(?γEox)

γ值:反映柵氧對(duì)電場(chǎng)的敏感度。γ值越高,柵氧在高電場(chǎng)下退化越快。

國(guó)產(chǎn)器件風(fēng)險(xiǎn):γ值偏高,說(shuō)明柵氧質(zhì)量不足(如界面態(tài)密度高)。

如何通過(guò)TDDB數(shù)據(jù)評(píng)估供應(yīng)商能力?

1. 數(shù)據(jù)可信度驗(yàn)證

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn):要求供應(yīng)商提供符合JEDEC JEP001、AEC-Q101等標(biāo)準(zhǔn)的TDDB報(bào)告。

數(shù)據(jù)完整性:需包含Weibull分布圖、電場(chǎng)加速模型、溫度相關(guān)性分析。

案例對(duì)比:對(duì)比國(guó)際大廠數(shù)據(jù),評(píng)估國(guó)產(chǎn)器件的差距。

2. 關(guān)鍵指標(biāo)解讀

β值>3:工藝一致性較好(國(guó)產(chǎn)器件常β≈1.5~2.5)。

η值@額定電壓:若η值對(duì)應(yīng)的實(shí)際壽命小于應(yīng)用需求(如光伏儲(chǔ)能>25年),則不可接受。

失效機(jī)理分析:要求供應(yīng)商提供擊穿點(diǎn)定位(如SEM/TEM分析),確認(rèn)失效是否源自柵氧缺陷(而非封裝問(wèn)題)。

3. 國(guó)產(chǎn)供應(yīng)商的典型問(wèn)題

早期失效集中:Weibull曲線左移,β值低,反映襯底缺陷或氧化工藝波動(dòng)。

電場(chǎng)敏感性高:γ值>4(國(guó)際水平γ≈3~3.5),表明界面鈍化不足。

數(shù)據(jù)缺失或模糊:部分廠商僅提供“通過(guò)/未通過(guò)”結(jié)論,缺乏原始數(shù)據(jù)支撐。

成本與可靠性的平衡

高質(zhì)量的柵氧工藝可能增加制造成本,但客戶研發(fā)工程師需權(quán)衡:犧牲可靠性可能導(dǎo)致更高的售后維護(hù)成本或品牌聲譽(yù)損失,尤其在關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域。

以下是系統(tǒng)性分析:

一、材料特性與柵氧失效的根源

SiC與SiO?的界面缺陷
SiC材料的晶體結(jié)構(gòu)(如4H-SiC的六方密堆積)與氧化生成的SiO?之間存在晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異,導(dǎo)致界面處產(chǎn)生高密度缺陷(如碳空位(VC)、氧空位(VO))。這些缺陷形成電荷陷阱,引發(fā)以下問(wèn)題:

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閾值電壓(Vth)漂移:電荷陷阱充放電導(dǎo)致Vth不穩(wěn)定,影響開(kāi)關(guān)特性。

柵漏電流增加:缺陷成為導(dǎo)電通道,加速柵氧退化。

局部電場(chǎng)畸變:缺陷集中區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度驟增,誘發(fā)提前擊穿。

高電場(chǎng)與高溫下的可靠性風(fēng)險(xiǎn)

高壓應(yīng)用場(chǎng)景:SiC器件柵氧層承受的電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于硅器件,氧化層缺陷易引發(fā)局部擊穿或長(zhǎng)期退化。

高溫穩(wěn)定性:SiC適用于高溫環(huán)境(如175℃以上),但高溫會(huì)加劇界面態(tài)密度上升,導(dǎo)致柵氧壽命下降。

高臨界擊穿電場(chǎng)的雙刃劍
更薄的柵氧層(如50 nm以下)給碳化硅MOSFET帶來(lái)性能優(yōu)勢(shì),但實(shí)際應(yīng)用中:

電場(chǎng)強(qiáng)度極高:相同電壓下,SiC MOSFET柵氧層承受的電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于硅器件(如1200V器件中電場(chǎng)達(dá)4-5 MV/cm)。

工藝容差?。貉趸瘜雍穸然蚓鶆蛐缘奈⑿∑睿ㄈ纭? nm)即可導(dǎo)致局部電場(chǎng)超出耐受極限。

對(duì)系統(tǒng)可靠性的直接影響

閾值電壓漂移:柵氧缺陷可能導(dǎo)致閾值電壓(Vth)不穩(wěn)定,影響開(kāi)關(guān)特性,甚至引發(fā)誤觸發(fā)或熱失控。

長(zhǎng)期失效風(fēng)險(xiǎn):柵氧層失效是器件壽命的主要限制因素之一,尤其在新能源、軌道交通等對(duì)可靠性要求極高的領(lǐng)域,微小的失效率可能引發(fā)嚴(yán)重系統(tǒng)故障。

二、工藝挑戰(zhàn)與國(guó)產(chǎn)化痛點(diǎn)

氧化工藝的成熟度差距

熱氧化條件苛刻:SiC需在1200℃以上高溫氧化生成SiO?,但高溫加劇碳原子析出,形成界面碳團(tuán)簇(如SiOxCy),降低柵氧質(zhì)量。

工藝技術(shù)不足:廠商采用氮退火、氫退火等技術(shù)修復(fù)界面缺陷,而國(guó)產(chǎn)工藝多依賴傳統(tǒng)氧化,界面態(tài)密度(Dit)高。

供應(yīng)商技術(shù)能力的核心指標(biāo)

工藝差異化:柵氧質(zhì)量直接反映供應(yīng)商的核心技術(shù)水平(如氧化工藝優(yōu)化、氮化界面鈍化技術(shù)等),工程師需評(píng)估不同供應(yīng)商的解決方案。

數(shù)據(jù)驗(yàn)證需求:客戶研發(fā)工程師會(huì)要求供應(yīng)商提供柵氧可靠性測(cè)試數(shù)據(jù)(如HTGB高溫柵偏測(cè)試、TDDB時(shí)間相關(guān)介電擊穿數(shù)據(jù)),以量化器件壽命。

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三、應(yīng)用場(chǎng)景的嚴(yán)苛需求

高壓與高溫的協(xié)同應(yīng)力

新能源汽車(chē)主驅(qū)逆變器:SiC MOSFET工作電壓達(dá)較高,結(jié)溫超過(guò)150℃,柵氧需在10年內(nèi)承受>1e8次開(kāi)關(guān)循環(huán)。若柵氧失效導(dǎo)致Vth漂移超過(guò)±1V,可能引發(fā)誤觸發(fā)或熱失控。

光伏逆變器:戶外25年壽命要求下,碳化硅MOSFET柵氧壽命需被關(guān)注。

動(dòng)態(tài)工況下的可靠性風(fēng)險(xiǎn)

短路耐受能力:SiC MOSFET短路時(shí)間僅2μs左右,短路時(shí)柵氧承受的瞬時(shí)功率密度極高,劣質(zhì)柵氧可能直接擊穿。

雪崩能量沖擊:部分國(guó)產(chǎn)碳化硅MOSFET器件因柵氧局部缺陷,雪崩能量耐受值(EAS)較低。

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四、國(guó)產(chǎn)SiC MOSFET的信任危機(jī)

數(shù)據(jù)透明度不足

部分國(guó)產(chǎn)廠商僅提供“通過(guò)/未通過(guò)”的定性結(jié)論,缺乏關(guān)鍵數(shù)據(jù)(如TDDB的Weibull分布參數(shù)、HTGB閾值電壓漂移曲線),客戶難以量化風(fēng)險(xiǎn)。

早期失效案例頻發(fā)

某國(guó)產(chǎn)SiC MOSFET在車(chē)載充電樁應(yīng)用中,因柵氧缺陷導(dǎo)致15個(gè)月內(nèi)批量失效,失效分析顯示界面態(tài)密度超標(biāo)。

成本與可靠性的失衡

國(guó)產(chǎn)廠商為降低成本,可能簡(jiǎn)化工藝(如縮短氧化時(shí)間、減少鈍化步驟),犧牲柵氧可靠性。

五、解決方案與技術(shù)演進(jìn)方向

工藝端

界面優(yōu)化:采用氮等離子體處理降低Dit。

柵介質(zhì)創(chuàng)新:引入高k介質(zhì)(如Al?O?/SiO?疊層)或非熱氧化工藝(如等離子體氧化),減少碳?xì)埩簟?/p>

設(shè)計(jì)端

場(chǎng)板結(jié)構(gòu)(Field Plate):在柵極邊緣集成場(chǎng)板,分散電場(chǎng)峰值。

集成監(jiān)測(cè)電路:內(nèi)置柵氧健康狀態(tài)傳感器,實(shí)時(shí)預(yù)警退化風(fēng)險(xiǎn)。

驗(yàn)證端

加速老化模型標(biāo)準(zhǔn)化:推動(dòng)國(guó)產(chǎn)SiC MOSFET的TDDB、HTGB測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與JEDEC/JEP001接軌。

開(kāi)放失效分析:向客戶提供TEM/SEM圖像、二次離子質(zhì)譜(SIMS)數(shù)據(jù),證明缺陷控制能力。

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工程師的應(yīng)對(duì)策略

要求供應(yīng)商提供完整TDDB報(bào)告

包括不同電壓/溫度組合下的壽命預(yù)測(cè)曲線、失效分布統(tǒng)計(jì)、工藝改進(jìn)措施(如氮化退火工藝優(yōu)化)。

自主驗(yàn)證測(cè)試

對(duì)關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景(如新能源汽車(chē)主驅(qū)),可抽樣進(jìn)行TDDB測(cè)試,重點(diǎn)關(guān)注早期失效比例。

結(jié)合其他可靠性測(cè)試

HTGB(高溫柵偏測(cè)試):驗(yàn)證閾值電壓穩(wěn)定性。

HTRB(高溫反向偏置測(cè)試):評(píng)估體二極管退化。

功率循環(huán)測(cè)試:模擬實(shí)際開(kāi)關(guān)工況下的綜合應(yīng)力。

結(jié)論

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TDDB實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)SiC MOSFET柵氧可靠性的“試金石”。工程師通過(guò)分析TDDB的Weibull分布、電場(chǎng)加速因子等數(shù)據(jù),可直接評(píng)估供應(yīng)商的工藝水平和產(chǎn)品可靠性。對(duì)國(guó)產(chǎn)碳化硅MOSFET供應(yīng)商而言,唯有攻克襯底缺陷控制、柵氧工藝優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù),并主動(dòng)提供嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腡DDB驗(yàn)證數(shù)據(jù),才能打破“國(guó)產(chǎn)不可靠”的固有印象,真正實(shí)現(xiàn)高端市場(chǎng)替代。

柵氧可靠性是SiC MOSFET能否大規(guī)模商用的“阿喀琉斯之踵”??蛻粞邪l(fā)工程師首要關(guān)注此問(wèn)題,既是對(duì)技術(shù)本質(zhì)的深刻理解,也是對(duì)供應(yīng)商技術(shù)實(shí)力和產(chǎn)品長(zhǎng)期穩(wěn)定性的關(guān)鍵考察。只有通過(guò)材料和工藝創(chuàng)新(如新型柵介質(zhì)、界面優(yōu)化技術(shù)),才能推動(dòng)SiC MOSFET在高端電力電子應(yīng)用中真正替代硅基器件。

柵氧可靠性是SiC MOSFET能否從“實(shí)驗(yàn)室性能優(yōu)越”邁向“工業(yè)級(jí)可靠應(yīng)用”的核心門(mén)檻??蛻舻纳疃汝P(guān)切源于材料本質(zhì)缺陷、工藝代際差距與嚴(yán)苛應(yīng)用需求的矛盾。對(duì)于國(guó)產(chǎn)供應(yīng)鏈而言,唯有通過(guò)全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同(從襯底缺陷控制到終端失效分析)、數(shù)據(jù)透明化(公開(kāi)TDDB/HTGB原始數(shù)據(jù))和正向設(shè)計(jì)創(chuàng)新(突破專利封鎖),才能將柵氧可靠性從“痛點(diǎn)”轉(zhuǎn)化為“競(jìng)爭(zhēng)力”,真正贏得高端市場(chǎng)信任。

審核編輯 黃宇

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    國(guó)產(chǎn)<b class='flag-5'>SiC</b><b class='flag-5'>碳化硅</b><b class='flag-5'>MOSFET</b>廠商<b class='flag-5'>柵</b><b class='flag-5'>氧</b><b class='flag-5'>可靠性</b>危機(jī)與破局分析

    麥科信光隔離探頭在碳化硅SiCMOSFET動(dòng)態(tài)測(cè)試的應(yīng)用

    行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施演進(jìn),為電力電子從“硅時(shí)代”邁向“碳化硅時(shí)代”提供底層支撐。 相關(guān)研究: L. Zhang, Z. Zhao, R. Jin, et al, \"SiC
    發(fā)表于 04-08 16:00

    國(guó)產(chǎn)SiC碳化硅MOSFET廠商絕口不提可靠性的根本原因是什么

    兩方面展開(kāi)分析: 一、部分國(guó)產(chǎn)SiC碳化硅MOSFET廠商避談可靠性的根本原因 技術(shù)矛盾:電
    的頭像 發(fā)表于 04-07 10:38 ?334次閱讀

    如何測(cè)試SiC MOSFET可靠性

    隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,碳化硅SiC)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)因其優(yōu)異的性能,如高開(kāi)關(guān)速度、低導(dǎo)通電阻和高工作溫度
    的頭像 發(fā)表于 03-24 17:43 ?1179次閱讀
    如何測(cè)試<b class='flag-5'>SiC</b> <b class='flag-5'>MOSFET</b><b class='flag-5'>柵</b><b class='flag-5'>氧</b><b class='flag-5'>可靠性</b>

    40mR/650V SiC 碳化硅MOSFET,替代30mR 超結(jié)MOSFET或者20-30mR的GaN!

    BASiC基本半導(dǎo)體40mR/650V SiC 碳化硅MOSFET,替代30mR 超結(jié)MOSFET或者20-30mR的GaN! BASiC基本半導(dǎo)體40mR/650V
    發(fā)表于 01-22 10:43

    產(chǎn)SiC碳化硅MOSFET功率模塊在工商業(yè)儲(chǔ)能變流器PCS的應(yīng)用

    *附件:國(guó)產(chǎn)SiC碳化硅MOSFET功率模塊在工商業(yè)儲(chǔ)能變流器PCS的應(yīng)用.pdf
    發(fā)表于 01-20 14:19

    什么是MOSFET柵極氧化層?如何測(cè)試SiC碳化硅MOSFET可靠性

    氧化層?如何測(cè)試碳化硅MOSFET可靠性?”讓我們一起跟隨基本半導(dǎo)體市場(chǎng)部總監(jiān)魏煒老師的講解,揭開(kāi)這一技術(shù)領(lǐng)域的神秘面紗。
    發(fā)表于 01-04 12:37

    瞻芯電子交付碳化硅(SiC)MOSFET逾千萬(wàn)顆 產(chǎn)品長(zhǎng)期可靠性得到驗(yàn)證

    ,標(biāo)志著產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性得到了市場(chǎng)驗(yàn)證。 SiC MOSFET作為功率變換系統(tǒng)的核心元器件,其性能表現(xiàn)影響應(yīng)用系統(tǒng)的效率表現(xiàn)。而產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性
    的頭像 發(fā)表于 09-27 10:43 ?635次閱讀
    瞻芯<b class='flag-5'>電子</b>交付<b class='flag-5'>碳化硅</b>(<b class='flag-5'>SiC</b>)<b class='flag-5'>MOSFET</b>逾千萬(wàn)顆 產(chǎn)品長(zhǎng)期<b class='flag-5'>可靠性</b>得到驗(yàn)證