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全社會(huì )都在積極推動(dòng)低碳化轉型，而低碳化的背后其實(shí)是電氣化。在新型電氣能源架構中，相比于從前，一次能源到終端用戶(hù)的能源轉換次數增多。雖然可再生能源是免費的，但是這種多層級的能源轉換，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化效率至關(guān)重要。 SiC正是功率半導體的能效提升技術(shù)，它的出現滿(mǎn)足了低碳化時(shí)代兩大全新的市場(chǎng)需求： 1、能效創(chuàng )新：SiC技術(shù)在光伏、儲能、數據中心等大功率電源管理領(lǐng)域，能夠顯著(zhù)提升能源轉換效率。隨著(zhù)全球對清潔能源的需求增加，SiC的應用場(chǎng)景也在不斷擴大。 2、設計創(chuàng )新：在電動(dòng)車(chē)、高鐵動(dòng)力推進(jìn)系統、機器人伺服等領(lǐng)域，SiC技術(shù)能夠實(shí)現設備的小型化、低成本和高效節能。這不僅降低了生產(chǎn)成本，還提升了系統的性能。 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(hù)提供更可靠的碳化硅技術(shù)，并主張“最值得信賴(lài)的技術(shù)革命”。隨著(zhù)SiC技術(shù)的普及，英飛凌的目標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)競爭，而在于與誰(shuí)合作。因此，英飛凌致力于與客戶(hù)協(xié)同創(chuàng )新，實(shí)現共贏(yíng)。 隨著(zhù)SiC的應用增多，客戶(hù)對SiC技術(shù)知識的積累正熱情高漲。然而在日常訪(fǎng)客過(guò)程中，我發(fā)現即使是資深的研發(fā)工程師，都會(huì )存在兩個(gè)最常見(jiàn)的認知誤區。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1：可靠性之爭 誤解：“平面柵相對簡(jiǎn)單，單元一致性較好，可靠性更高；溝槽柵結構、工藝都很復雜，底部電場(chǎng)集中，容易引發(fā)長(cháng)期可靠性問(wèn)題” 提及“可靠性”，不論是Si還是SiC功率半導體器件，都不得不談到產(chǎn)品結構中一個(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，更容易出現擊穿和早期失效現象。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)更高效的篩選測試方法。我們使用更高的篩選電壓來(lái)發(fā)現氧化層中的絕大部分缺陷。篩選電壓越高，能發(fā)現的缺陷數量越多，從而篩選后的器件擁有更卓越的可靠表現。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？因為平面柵的柵極氧化層更薄。更薄的氧化層可以增強柵極對導電溝道的控制能力，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電溝道之間的界面缺陷，平面柵和溝槽柵有何不同？ MOSFET中導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(chē)的話(huà)，柵極氧化層下面的導電溝道就像汽車(chē)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 )呈現出完全不同的路況。如果說(shuō)Si基功率器件導電溝道像是一條高速公路的話(huà)，SiC的導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遠大于垂直方向。打個(gè)形象的比喻：SiC采用平面柵技術(shù)，就好像汽車(chē)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)現高速行駛。如果想要達到同樣的行駛速度，平面柵就要一腳油門(mén)踩到底，這表現在功率器件的技術(shù)實(shí)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。
如果只想在碳化硅器件單一電氣參數的競賽中勝出，一味地追求更低的導通電阻，應用平面柵技術(shù)的廠(chǎng)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，當電場(chǎng)強度超過(guò)了一定的閾值，就會(huì )導致瞬時(shí)擊穿，長(cháng)期使用也可能帶來(lái)TDDB經(jīng)時(shí)擊穿等現象。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)工況應力下，柵極氧化層的有效壽命很可能會(huì )遠遠低于預期結果。 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查電壓，同時(shí)保證不損壞能通過(guò)篩查試驗的無(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)均勻設計的長(cháng)期積累，使得英飛凌溝槽柵在SiC領(lǐng)域提前占據了可靠性的領(lǐng)先地位。 看到這里，關(guān)于SiC MOSFET的第一個(gè)誤區——溝槽柵可靠性不如平面柵——也就不攻自破了。關(guān)于SiC MOSFET的性能評價(jià)還有一個(gè)誤區： “SiC的性能主要看單位面積導通電阻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)行詳細闡述，敬請持續關(guān)注。
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