- 關(guān)于SiC功率半導(dǎo)體可靠性全面解析

- 「SysPro電力電子」知識星球節(jié)選- 文字原創(chuàng)，素材來源：英飛凌，網(wǎng)絡(luò)- 本篇為節(jié)選，完整內(nèi)容會在知識星球發(fā)布，歡迎學(xué)習(xí)、交流

導(dǎo)語：隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，碳化硅（SiC）作為一種新型的半導(dǎo)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(lǐng)域的明星。然而，與硅（Si）器件相比，SiC器件在材料特性和運(yùn)行模式上存在顯著差異，因此其可靠性和質(zhì)量控制成為了一個(gè)重要議題。

今天，我們來聊聊SiC功率半導(dǎo)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(dǎo)體器件的可靠性？為了更好的解答這個(gè)疑問，我們從多個(gè)方面進(jìn)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(yàn)證方面需要做額外的試驗(yàn)（相比Si）？

如何控制SiC MOSFET柵極氧化層缺陷?

如何通過科學(xué)、合理方法，準(zhǔn)確測量SiC MOSFET的失效概

目錄1.為什么SiC功率半導(dǎo)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(yè)化的關(guān)鍵問題：柵極氧化層可靠性(知識星球發(fā)布)2.1 柵極氧化層的關(guān)鍵作用2.2 柵極氧化層面臨的挑戰(zhàn)和影響2.3 為什么要關(guān)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(fā)布)3.1 基本方法邏輯3.2 如何設(shè)置"篩子"?4. 如何準(zhǔn)確測量SiC MOSFET的失效概率？-兩種方法(知識星球發(fā)布)

4.1 "馬拉松應(yīng)力試驗(yàn)"的故事

4.2 "柵極電壓步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)"的故事

5. 結(jié)語

備注：本篇為節(jié)選，完整版內(nèi)容在知識星球中發(fā)布

01

為什么SiC功率半導(dǎo)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(yàn)證角度說明：為什么SiC要做一些額外的試驗(yàn)（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(dǎo)體材料，具有許多優(yōu)異的物理和化學(xué)特性。首先，SiC的絕緣擊穿場強(qiáng)度遠(yuǎn)高于Si，達(dá)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(fā)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(dǎo)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(yīng)用中的優(yōu)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(shè)計(jì)和制造過程中面臨許多新的挑戰(zhàn)。

首先，SiC材料的各向異性導(dǎo)致其在不同晶向上的物理和化學(xué)性質(zhì)存在差異，這要求在器件設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)比Si更為復(fù)雜，包括基底面位錯(cuò)（BPD）、堆垛層錯(cuò)等，這些缺陷可能對器件的性能和可靠性產(chǎn)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(shí)必須采用更為精細(xì)的工藝。

圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

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(shù)，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(yàn)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(jié)構(gòu)、各向異性（就是不同方向上的性質(zhì)不同）、機(jī)械性能和熱性能。這些都要特別關(guān)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(yùn)行電場強(qiáng)：SiC器件能在更高的電場下工作，特別是器件邊緣，設(shè)計(jì)得好的話，電場能增強(qiáng)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(guān)：SiC器件能在高壓（比如超過1000V）下快速開關(guān)（開關(guān)速度超過50V/ns），這種新的運(yùn)行模式也要特別測試，看看器件能不能穩(wěn)定工作。

這些額外的試驗(yàn)幾乎會影響到所有的質(zhì)量認(rèn)證試驗(yàn)。比如，因?yàn)?/span>力學(xué)特性不同、功率循環(huán)試驗(yàn)的結(jié)果也會不一樣。而且，SiC器件的氧化層可靠性試驗(yàn)還要特別關(guān)注阻斷模式下的穩(wěn)定性，這是Si器件不需要的。

圖片來源：Onsemi

02

SiC MOSFET邁向商業(yè)化的關(guān)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(shù)走向商業(yè)化道路上的一塊絆腳石，也讓人們懷疑SiC MOS開關(guān)是否能像Si技術(shù)那樣值得信賴？但好在過去的十年里，SiC技術(shù)逐漸走向成熟，這里面的關(guān)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(guān)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(guān)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(dǎo)體之間。它通常由二氧化硅（SiO?）構(gòu)成（下圖右側(cè)綠色區(qū)域），起到絕緣和電容的雙重作用。柵極氧化層的質(zhì)量直接決定了SiC MOSFET溝道的性能，進(jìn)而影響整個(gè)器件的工作效率和穩(wěn)定性。

圖片來源：SysPro

2.2 柵極氧化層面臨的挑戰(zhàn)和影響

（知識星球發(fā)布）

2.3 為什么要關(guān)注柵極氧化層可靠性？

（知識星球發(fā)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(fā)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(qiáng)上可能有些差別，但它們的整體擊穿穩(wěn)定性其實(shí)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(shí)帶來的柵極氧化層雜質(zhì)缺陷，我們要如何控制和保證呢？我們繼續(xù)來聊聊。

03如何控制SiC MOSFET柵極氧化層缺陷？

（知識星球發(fā)布）

在制造SiC MOSFET時(shí)，由于SiC材料上制取的柵極氧化層容易含有更多雜質(zhì)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(shí)帶來的柵極氧化層雜質(zhì)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(xué)習(xí)了解下。

3.1 基本方法邏輯

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3.2 如何設(shè)置"篩子"?

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圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

04如何準(zhǔn)確測量SiC MOSFET的失效概率？兩種方法

（知識星球發(fā)布）

為了準(zhǔn)確預(yù)測SiC器件在正常工作條件下的失效概率，探究導(dǎo)致器件早期失效的原因，我們需要進(jìn)行...

但是，上述方法并不適合研究器件在整個(gè)使用壽命和正常工作條件（電壓、溫度）下可能發(fā)生的故障。為了解決這個(gè)問題，一般有兩種新的試驗(yàn)方法，來驗(yàn)證所有器件的篩查結(jié)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(yīng)力試驗(yàn)"的故事...

4.2 "柵極電壓步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)"的故事

...圖片來源：網(wǎng)絡(luò)