碳化矽功率半導體在光伏、充電、電動車等行業得到了廣泛應用，其潛力毋庸置疑。然而，從目前高功率碳化矽MOSFET來看，仍然存在一個難題：即如何實現性能、穩健性、可靠性和易用性之間的平衡設計。比導通電阻是衡量SiC MOSFET技術先進性的關鍵參數，但其他標準，例如可靠性，也是限制元件表現的重要因素。針對不同的應用，導通電阻與可靠性之間的取捨也略有差異。因此，合理的元件定義應當保證設計靈活性，以滿足不同的任務需求，無需大量的設計工作和設計佈局變更。
英飛凌CoolSiC™的故障率比IGBT更低
談到可靠性，人們往往會認為SiC不如IGBT，但事實並非如此。在碳化矽MOSFET中，閘極氧化層的可靠性和宇宙射線故障率共同決定了元件的FIT率。英飛凌透過調研已售出的2300萬片CoolSiC™ MOSFET晶片的故障率，並與成熟的矽IGBT進行比較，可以發現，CoolSiC™的每百萬分之一故障率更低。包括模組和分立元件的所有產品系列都是如此。
SiC MOSFET主要結構有平面型（planar）和溝槽型（trench）兩種。儘管業界普遍認為溝槽閘型元件在可靠性方面挑戰較大，但英飛凌採用了獨特的方法解決了這一問題。
我們觀察平面型和溝槽型的元件結構，都可以發現，在閘極（G）與矽片之間，有一層薄薄的氧化層，我們稱之為閘氧化層。別看這層氧化層的厚度不足100nm，卻在SiC MOSFET的設計中，扮演著非常重要的角色，影響到元件的閾值、導通電阻、閘極電壓範圍、可靠性等多項參數。
我們對比了各廠家元件的閘極氧化層厚度，發現英飛凌的SiC MOSFET閘極氧化層厚度是所有SiC元件中最厚的，與矽基IGBT元件差不多，而平面閘SiC MOSFET的閘極氧化層厚度僅有40~50nm。
閘極氧化層厚度在SiC MOSFET的可靠性與性能的權衡中扮演著重要角色。SiC的可靠性隨著閘氧厚度的增加呈指數級上升趨勢，而導通電阻僅略微上升，因此CoolSiC™ MOSFET實現了性能與可靠性的最佳平衡。使用較厚的閘極氧化層，只需犧牲少量性能，就能換取可靠性的大幅提升。不論是平面型DMOS，還是溝槽型TMOS的SiC MOSFET都遵循這樣的權衡曲線。
為何我們特別關注柵氧化層厚度？在SiC材料上形成的二氧化矽層相比於矽材料上的二氧化矽，存在更多的缺陷。直觀來看，這些缺陷的影響方式是使柵氧化層局部變薄，失效風險更高。為了消除存在此類缺陷的元件，最大程度降低柵氧化層缺陷對元件性能的影響，並確保元件的長期可靠性，英飛凌對柵氧化層進行篩選，即在生產後對元件施加較高的柵極電壓。如果柵極氧化層中含有缺陷，那麼該點的電場將高於二氧化矽所能承受的臨界電場，導致有缺陷的晶片損壞或性能下降，而無缺陷的元件則不會受到影響。
篩選時所採用的電壓與額定柵極電壓的比例對於篩選的效率至關重要，並且在很大程度上取決於柵極氧化物的整體厚度。在這張圖中，我們可以看到X軸代表短時脈衝電壓，Y軸代表閾值電壓的變化，當向碳化矽MOSFET晶片施加柵極-源極電壓時，會引入一個短時的正柵極應力，導致閾值電壓發生微小的正移。一旦柵極電壓超過臨界值，就會發現閾值電壓開始顯著下降，此時，氧化物內部達到臨界電場強度，引發內部撞擊電離。這意味著，當電荷載流子在氧化物中被強烈加速時，它可以激活新的電荷載流子，並開始產生新的缺陷。因此，如果施加的電壓高於這個臨界柵極-源極電壓，篩選過程就會進一步損壞柵極氧化物。
為了更清楚地說明問題，我們來比較一下兩種不同的柵極氧化物，假設兩者具有相同的缺陷，由於臨界電壓取決於柵極氧化物的整體厚度。DMOS元件的柵氧化層較薄，當電壓升高時，較早達到臨界電場，因此，對較薄氧化物的元件施加的篩選電壓要低得多，所以一些具有嚴重臨界缺陷的元件仍然能通過篩選，這對於應用是十分不利的。對於較厚的氧化物，因為能夠施加更高的篩選電壓，更多的缺陷被高電壓篩選出來，而我們只向客戶交付篩選後未顯示任何損壞或變化的元件。通過在終測中剔除有缺陷的元件，客戶面臨的潛在可靠性問題就能被英飛凌遭受的微小良率損失所取代。
我們再比較一下不同供應商的篩選能力，如圖所示：
為了確保比較的公平性，應使用推薦的電壓與脈衝電壓之間的比率。從圖中可以清楚地看到，英飛凌的元件具有最高的閘極電壓。以脈衝閘極電壓和使用閘極電壓比為標準，這種改進的篩選可能性對失效率降低系數的影響更加明顯。到目前為止，英飛凌元件的故障率降低系數是最高的，比其他供應商高出近十倍，這使得我們的CoolSiC™ MOSFET具有極低的故障率。
為什麼溝槽柵可以使用更厚的柵氧化層
透過剛才的闡述，我們已經了解到，溝槽柵結構具有更厚的柵氧化層，因此能採用更高的篩選電壓。那麼為什麼平面型結構普遍較低呢？
這是因為碳化矽在形成閘極氧化層的時候，SiC-SiO2界面之間存在較高態密度與氧化層陷阱，導致溝道電阻比較高。打個比方，電子在溝道上流過，就好比汽車在公路上行駛。公路路面狀況越好，車速就越快；如果路面全是坑洞，再好的車速度也提不起來。
好在SiC是一種各向異性的晶體，在不同的晶面上形成SiC-SiO。2界面缺陷率是不同的。在垂直晶面上，SiC-SiO界面...2界面態密度與氧化層陷阱較低，界面電氣性能更好。溝槽型的SiC MOSFET好比避開了坑坑洞洞的路面，在地下挖了一條光滑的隧道，因此電子遷移率更高，溝道電阻更低。
為了降低溝道電阻，平面型SiC MOSFET往往採用較高的柵極驅動電壓，或者非常薄的柵極氧化層，這使得柵極氧化層上的電場強度升高。較高的電場會加速元件老化，而這正是導致最終FIT率的主要原因。但與平面柵型相比，溝槽柵型碳化矽MOSFET的溝道電阻要小得多，也就是說，即使採用較厚的柵氧化層，仍然能夠獲得非常好的性能。
此外，決定任一技術閾值電壓變化等的重要參數，例如溝道尺寸和摻雜，在垂直結構中都能更容易、更準確地控制。
總結
英飛凌著手開發碳化矽功率元件已有30年的歷程。英飛凌在設計之初就決定開發溝槽閘結構，而非更容易實現的平面閘設計，儘管開發溝槽閘需要更高深的工藝知識。英飛凌透過選擇具有較厚閘極氧化層的溝槽閘MOSFET，成功地將其可靠性特性融入元件設計中，從而實現了有效的缺陷篩選，而這一點是採用較薄閘極氧化層的其他元件設計所無法實現的。該決策使英飛凌實現了超越成熟矽技術的高可靠性，同時不會對關鍵性能參數產生負面影響。
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