技術洞察 | 碳化矽何以英飛凌？——高效能的SiC技術如何做到更可靠？

全社會都在積極推動低碳化轉型，而低碳化的背後其實是電氣化。新型電氣能源架構相比於從前，一次能源到終端使用者的能源轉換次數增加雖然再生能源是免費的，但這種多層級的能源轉換，每一步都會帶來一定的能量消耗損失，因此追求更高效的能源轉化效率至關重要。

SiC正是功率半導體的能效提升技術它的出現滿足了低碳化時代兩個全新的市場需求：

• 能效創新：SiC技術在光伏、儲能、數據中心等大功率電源管理領域，能夠顯著提升能源轉換效率。隨著全球對清潔能源需求的增加，SiC的應用場景也在不斷擴大。

• 設計創新：在電動車、高鐵動力推進系統、機器人伺服等領域，SiC技術能夠實現設備的小型化、低成本和高效節能。這不僅降低了生產成本，還提升了系統的性能。

   

成為首選的零碳技術創新夥伴

英飛凌一直致力於為使用者提供更可靠的碳化矽技術，並主張「最值得信賴的技術革命」。隨著SiC技術的普及，英飛凌的目標是成為首選的零碳技術創新夥伴我們深信，企業的未來不在於與誰競爭，而在於與誰合作。因此，英飛凌致力於與客戶協同創新，實現共贏。

隨著SiC的應用日益增加，客戶對SiC技術知識的累積正熱情高漲。然而在日常拜訪客戶的過程中，我發現即使是資深的研發工程師，也常常存在兩個最常見的認知誤區。今天我們將透過兩篇系列文章進行深入淺出的解讀。
 

常見誤區1：可靠性之爭

誤解：平面柵相對簡單，單元一致性較好，可靠性更高；溝槽柵結構和工藝都非常複雜，底部電場集中，容易引發長期可靠性問題。
 

提到「可靠性」，無論是Si還是SiC功率半導體元件，都不得不談到產品結構中的一個重要組成部分，即「閘極氧化層」。SiC的基板缺陷、顆粒雜質以及製程差異，會對SiC MOSFET的閘極氧化層造成許多缺陷，如下圖所示。這些缺陷最終會表現為閘氧有效厚度的減薄，進而大幅縮短元件的壽命，更容易出現擊穿和早期失效的現象。因此，為了讓SiC和Si元件一樣可靠好用，必須最大限度降低閘極氧化層缺陷密度。

英飛凌Trench溝槽柵技術之所以更可靠，離不開更高效的篩選測試方法。我們使用更高的篩選電壓來發現氧化層中的絕大部分缺陷。篩選電壓越高，能發現的缺陷數量越多，從而篩選後的元件擁有更卓越的可靠表現。這點平面柵極很難做到。

為什麼平面柵不能使用更高的篩選電壓？因為平面柵的柵極氧化層更薄。。這是因為更薄的氧化層可以增強閘極對導電通道的控制能力，以抵消水平方向的影響。柵極氧化層-通道界面高密度缺陷對電子流動的阻礙作用，降低溝道電阻。

為什麼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電溝道之間的關係？介面缺陷平面柵和溝槽柵有何不同？

MOSFET中的導電通道形成於閘極氧化層的下方，如果將形成電流的電子比喻成路上行駛的汽車，那麼閘極氧化層下方的導電通道就像汽車行駛的路面。由於SiC和Si的材料特性截然不同，這條路面會呈現出完全不同的路況。如果說Si基功率元件的導電通道像是一條高速公路，那麼SiC的導電通道更像是一條顛簸的山路，高低不平的路面其實就是“氧化層-通道界面缺陷”。

由於SiC材料的各向異性特性，使其水平方向的氧化層界面缺陷密度遠遠大於垂直方向。打個形象的比喻：SiC採用平面柵技術，就好比汽車在顛簸路面行駛時，同樣的油耗，行駛的速度更低；而溝槽柵技術恰恰利用了垂直方向界面缺陷密度更少的特性，就好比在顛簸路況下行駛更加順暢。挖了地下高速隧道，更容易實現高速行駛。如果想要達到相同的行駛速度，平面柵就需要一腳油門踩到底，這表現在功率元件的技術實現上，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。

結論

• 越厚的氧化層，越可能使用比典型應用電壓高很多的篩選電壓，同時保證不損壞能通過篩選試驗的無缺陷器件。

• 英飛凌的溝槽柵可以透過更厚的氧化層和更高的篩選電壓，來最大限度地降低柵極氧化層缺陷率，確保可靠性。

• 這種對SiC材料物理底層的深度理解，以及超過40年的溝槽柵技術、溝槽底部電場均勻設計的長期積累，使得英飛凌溝槽柵在SiC領域提前占據了可靠性的領先地位。

看到這裡，關於SiC MOSFET的第一個誤區——溝槽閘可靠性不如平面閘——也就不攻自破了。關於SiC MOSFET的性能評價還有一個誤區：

SiC 的性能主要取決於單位面積導通電阻 Rsp，電阻越小，產品越好。與平面柵相比，溝槽柵 SiC 的電阻在高溫下漂移更大，這是否會影響可靠性？

關於這個問題的理解，我們將在後續文章中進行詳細闡述，敬請持續關注。

掃描 QR Code，追蹤英飛凌工業半導體尋找更多應用程式或產品資訊