碳化硅何以英飛凌？—— 溝槽柵技術可靠性真相

全社會都在積極推動低碳化轉型，而低碳化的背后其實是電氣化。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，每一步都會帶來一定的能耗損失，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大全新的市場需求：

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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的需求增加，SiC的應用場景也在不斷擴大。

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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伙伴

英飛凌一直致力于為用戶提供更可靠的碳化硅技術，并主張“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 零碳技術創新伙伴 。我們深信，企業的未來不在于與誰競爭，而在于與誰合作。因此，英飛凌致力于與客戶協同創新，實現共贏。

隨著SiC的應用增多，客戶對SiC技術知識的積累正熱情高漲。然而在日常訪客過程中，我發現即使是資深的研發工程師，都會存在兩個最常見的認知誤區。今天我們就通過兩篇系列文章做個深入淺出的解讀。

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、工藝都很復雜，底部電場集中，容易引發長期可靠性問題”

提及“可靠性”，不論是Si還是SiC功率半導體器件，都不得不談到產品結構中一個重要的組成部分，即“柵極氧化層”。SiC的襯底缺陷、顆粒雜質、制程差異，會給SiC MOSFET的柵極氧化層帶來很多缺陷，如下圖所示。這些缺陷最終會呈現為柵氧有效厚度的減薄。這會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，從而篩選后的器件擁有更卓越的可靠表現。這點平面柵很難做到。

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的話，柵極氧化層下面的導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，這條路面就會呈現出完全不同的路況。如果說Si基功率器件導電溝道像是一條高速公路的話，SiC的導電溝道更象一條顛簸山路，高低不平的路面其實就是“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。 打個形象的比喻：SiC采用平面柵技術，就好像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踩到底，這表現在功率器件的技術實現上， 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。

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，應用平面柵技術的廠家就會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缺陷帶來的有效厚度減損，當電場強度超過了一定的閾值，就會導致瞬時擊穿，長期使用也可能帶來TDDB經時擊穿等現象。所以， 如果缺乏深刻的理解和科學的篩查方法，在實際的動態工況應力下，柵極氧化層的有效壽命很可能會遠遠低于預期結果。

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，同時保證不損壞能通過篩查試驗的無缺陷器件。

英飛凌的溝槽柵可以通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，保障可靠性。

這種對SiC材料物理底層的深度理解，以及超過40年溝槽柵技術、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。

看到這里，關于SiC MOSFET的第一個誤區——溝槽柵可靠性不如平面柵——也就不攻自破了。關于SiC MOSFET的性能評價還有一個誤區：

“SiC的性能主要看單位面積導通電阻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？”

關于這個問題的理解我們將在下篇文章進行詳細闡述，敬請持續關注。