碳化硅何以英飛凌？—— 溝槽柵技術(shù)可靠性真相

全社會(huì)都在積極推動(dòng)低碳化轉(zhuǎn)型，而低碳化的背后其實(shí)是電氣化。在 新型電氣能源架構(gòu) 中，相比于從前，一次能源到終端用戶的 能源轉(zhuǎn)換次數(shù)增多 。雖然可再生能源是免費(fèi)的，但是這種多層級(jí)的能源轉(zhuǎn)換，每一步都會(huì)帶來(lái)一定的能耗損失，因此 追求更高效的能源轉(zhuǎn)化效率至關(guān)重要 。

SiC正是功率半導(dǎo)體的 能效提升技術(shù) ，它的出現(xiàn)滿足了低碳化時(shí)代兩大全新的市場(chǎng)需求：

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能效創(chuàng)新： SiC技術(shù)在光伏、儲(chǔ)能、數(shù)據(jù)中心等大功率電源管理領(lǐng)域，能夠顯著提升能源轉(zhuǎn)換效率。隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨笤黾樱琒iC的應(yīng)用場(chǎng)景也在不斷擴(kuò)大。

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設(shè)計(jì)創(chuàng)新： 在電動(dòng)車、高鐵動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)、機(jī)器人伺服等領(lǐng)域，SiC技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的小型化、低成本和高效節(jié)能。這不僅降低了生產(chǎn)成本，還提升了系統(tǒng)的性能。

成為首選的零碳技術(shù)創(chuàng)新伙伴

英飛凌一直致力于為用戶提供更可靠的碳化硅技術(shù)，并主張“最值得信賴的技術(shù)革命”。隨著SiC技術(shù)的普及，英飛凌的目標(biāo)是成為首選的 零碳技術(shù)創(chuàng)新伙伴 。我們深信，企業(yè)的未來(lái)不在于與誰(shuí)競(jìng)爭(zhēng)，而在于與誰(shuí)合作。因此，英飛凌致力于與客戶協(xié)同創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)共贏。

隨著SiC的應(yīng)用增多，客戶對(duì)SiC技術(shù)知識(shí)的積累正熱情高漲。然而在日常訪客過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)即使是資深的研發(fā)工程師，都會(huì)存在兩個(gè)最常見(jiàn)的認(rèn)知誤區(qū)。今天我們就通過(guò)兩篇系列文章做個(gè)深入淺出的解讀。

常見(jiàn)誤區(qū)1：可靠性之爭(zhēng)

誤解： “平面柵相對(duì)簡(jiǎn)單，單元一致性較好，可靠性更高；溝槽柵結(jié)構(gòu)、工藝都很復(fù)雜，底部電場(chǎng)集中，容易引發(fā)長(zhǎng)期可靠性問(wèn)題”

提及“可靠性”，不論是Si還是SiC功率半導(dǎo)體器件，都不得不談到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中一個(gè)重要的組成部分，即“柵極氧化層”。SiC的襯底缺陷、顆粒雜質(zhì)、制程差異，會(huì)給SiC MOSFET的柵極氧化層帶來(lái)很多缺陷，如下圖所示。這些缺陷最終會(huì)呈現(xiàn)為柵氧有效厚度的減薄。這會(huì)讓器件的壽命大打折扣，更容易出現(xiàn)擊穿和早期失效現(xiàn)象。因此， 為了讓SiC和Si器件一樣可靠好用，必須最大限度降低柵極氧化層缺陷密度。

英飛凌Trench溝槽柵技術(shù)之所以更可靠，離不開(kāi)更高效的篩選測(cè)試方法。 我們使用更高的篩選電壓來(lái)發(fā)現(xiàn)氧化層中的絕大部分缺陷。篩選電壓越高，能發(fā)現(xiàn)的缺陷數(shù)量越多，從而篩選后的器件擁有更卓越的可靠表現(xiàn)。這點(diǎn)平面柵很難做到。

為何平面柵不能使用更高篩選電壓？因?yàn)槠矫鏂诺臇艠O氧化層更薄 。 更薄的氧化層可以增強(qiáng)柵極對(duì)導(dǎo)電溝道的控制能力，來(lái)抵消水平方向 柵極氧化層-溝道界面高密度缺陷 對(duì)電子流動(dòng)的阻礙作用，降低溝道電阻。

為什么溝槽柵的柵極氧化層可以做得更厚呢？如何理解柵極氧化層與導(dǎo)電溝道之間的 界面缺陷 ，平面柵和溝槽柵有何不同？

MOSFET中導(dǎo)電溝道形成于柵極氧化層下面，如果把形成電流的電子比喻成路上行駛的汽車的話，柵極氧化層下面的導(dǎo)電溝道就像汽車行駛的路面。由于SiC和Si的材料特性截然不同，這條路面就會(huì)呈現(xiàn)出完全不同的路況。如果說(shuō)Si基功率器件導(dǎo)電溝道像是一條高速公路的話，SiC的導(dǎo)電溝道更象一條顛簸山路，高低不平的路面其實(shí)就是“氧化層-溝道界面缺陷”。

由于SiC材料各向異性特性，使其水平方向的氧化層界面缺陷密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直方向。 打個(gè)形象的比喻：SiC采用平面柵技術(shù)，就好像汽車在顛簸路面行駛時(shí)，同樣的油耗，行駛的速度更低；而溝槽柵技術(shù)恰恰就利用了垂直方向界面缺陷密度更少的特性，就好比在顛簸路況處 挖了地下高速隧道 ，更易于實(shí)現(xiàn)高速行駛。如果想要達(dá)到同樣的行駛速度，平面柵就要一腳油門踩到底，這表現(xiàn)在功率器件的技術(shù)實(shí)現(xiàn)上， 平面柵需要使用更薄的柵極氧化層。 相反，溝槽柵的柵極氧化層則可以做得更厚。

如果只想在碳化硅器件單一電氣參數(shù)的競(jìng)賽中勝出，一味地追求更低的導(dǎo)通電阻，應(yīng)用平面柵技術(shù)的廠家就會(huì)傾向于使用更薄的柵極氧化層。但由于柵極氧化層自身雜質(zhì)缺陷帶來(lái)的有效厚度減損，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)了一定的閾值，就會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)擊穿，長(zhǎng)期使用也可能帶來(lái)TDDB經(jīng)時(shí)擊穿等現(xiàn)象。所以， 如果缺乏深刻的理解和科學(xué)的篩查方法，在實(shí)際的動(dòng)態(tài)工況應(yīng)力下，柵極氧化層的有效壽命很可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期結(jié)果。

結(jié)論

越厚的氧化層，越可能使用比典型應(yīng)用電壓高很多的篩查電壓，同時(shí)保證不損壞能通過(guò)篩查試驗(yàn)的無(wú)缺陷器件。

英飛凌的溝槽柵可以通過(guò)更厚的氧化層和更高的篩選電壓，來(lái)最大限度地降低柵極氧化層缺陷率，保障可靠性。

這種對(duì)SiC材料物理底層的深度理解，以及超過(guò)40年溝槽柵技術(shù)、溝槽底部電場(chǎng)均勻設(shè)計(jì)的長(zhǎng)期積累，使得英飛凌溝槽柵在SiC領(lǐng)域提前占據(jù)了可靠性的領(lǐng)先地位。

看到這里，關(guān)于SiC MOSFET的第一個(gè)誤區(qū)——溝槽柵可靠性不如平面柵——也就不攻自破了。關(guān)于SiC MOSFET的性能評(píng)價(jià)還有一個(gè)誤區(qū)：

“SiC的性能主要看單位面積導(dǎo)通電阻Rsp，電阻越小，產(chǎn)品越好。

與平面柵相比，溝槽柵SiC的電阻在高溫下漂移更大，這是否會(huì)影響可靠性？”

關(guān)于這個(gè)問(wèn)題的理解我們將在下篇文章進(jìn)行詳細(xì)闡述，敬請(qǐng)持續(xù)關(guān)注。