碳化硅何以英飞凌？—— 沟槽栅技术可靠性真相

全社会都在积极推动低碳化转型，而低碳化的背后其实是电气化。在新型电气能源架构中，相比于从前，一次能源到终端用户的能源转换次数增多。虽然可再生能源是免费的，但是这种多层级的能源转换，每一步都会带来一定的能耗损失，因此追求更高效的能源转化效率至关重要。

SiC正是功率半导体的能效提升技术，它的出现满足了低碳化时代两大全新的市场需求：

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能效创新：SiC技术在光伏、储能、数据中心等大功率电源管理领域，能够显著提升能源转换效率。随着全球对清洁能源的需求增加，SiC的应用场景也在不断扩大。

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设计创新：在电动车、高铁动力推进系统、机器人伺服等领域，SiC技术能够实现设备的小型化、低成本和高效节能。这不仅降低了生产成本，还提升了系统的性能。

成为首选的零碳技术创新伙伴

英飞凌一直致力于为用户提供更可靠的碳化硅技术，并主张“最值得信赖的技术革命”。随着SiC技术的普及，英飞凌的目标是成为首选的零碳技术创新伙伴。我们深信，企业的未来不在于与谁竞争，而在于与谁合作。因此，英飞凌致力于与客户协同创新，实现共赢。

随着SiC的应用增多，客户对SiC技术知识的积累正热情高涨。然而在日常访客过程中，我发现即使是资深的研发工程师，都会存在两个最常见的认知误区。今天我们就通过两篇系列文章做个深入浅出的解读。

常见误区1：可靠性之争

误解：“平面栅相对简单，单元一致性较好，可靠性更高；沟槽栅结构、工艺都很复杂，底部电场集中，容易引发长期可靠性问题”

提及“可靠性”，不论是Si还是SiC功率半导体器件，都不得不谈到产品结构中一个重要的组成部分，即“栅极氧化层”。SiC的衬底缺陷、颗粒杂质、制程差异，会给SiC MOSFET的栅极氧化层带来很多缺陷，如下图所示。这些缺陷最终会呈现为栅氧有效厚度的减薄。这会让器件的寿命大打折扣，更容易出现击穿和早期失效现象。因此，为了让SiC和Si器件一样可靠好用，必须最大限度降低栅极氧化层缺陷密度。

英飞凌Trench沟槽栅技术之所以更可靠，离不开更高效的筛选测试方法。我们使用更高的筛选电压来发现氧化层中的绝大部分缺陷。筛选电压越高，能发现的缺陷数量越多，从而筛选后的器件拥有更卓越的可靠表现。这点平面栅很难做到。

为何平面栅不能使用更高筛选电压？因为平面栅的栅极氧化层更薄。更薄的氧化层可以增强栅极对导电沟道的控制能力，来抵消水平方向栅极氧化层-沟道界面高密度缺陷对电子流动的阻碍作用，降低沟道电阻。

为什么沟槽栅的栅极氧化层可以做得更厚呢？如何理解栅极氧化层与导电沟道之间的界面缺陷，平面栅和沟槽栅有何不同？

MOSFET中导电沟道形成于栅极氧化层下面，如果把形成电流的电子比喻成路上行驶的汽车的话，栅极氧化层下面的导电沟道就像汽车行驶的路面。由于SiC和Si的材料特性截然不同，这条路面就会呈现出完全不同的路况。如果说Si基功率器件导电沟道像是一条高速公路的话，SiC的导电沟道更象一条颠簸山路，高低不平的路面其实就是“氧化层-沟道界面缺陷”。

由于SiC材料各向异性特性，使其水平方向的氧化层界面缺陷密度远远大于垂直方向。打个形象的比喻：SiC采用平面栅技术，就好像汽车在颠簸路面行驶时，同样的油耗，行驶的速度更低；而沟槽栅技术恰恰就利用了垂直方向界面缺陷密度更少的特性，就好比在颠簸路况处挖了地下高速隧道，更易于实现高速行驶。如果想要达到同样的行驶速度，平面栅就要一脚油门踩到底，这表现在功率器件的技术实现上，平面栅需要使用更薄的栅极氧化层。相反，沟槽栅的栅极氧化层则可以做得更厚。

如果只想在碳化硅器件单一电气参数的竞赛中胜出，一味地追求更低的导通电阻，应用平面栅技术的厂家就会倾向于使用更薄的栅极氧化层。但由于栅极氧化层自身杂质缺陷带来的有效厚度减损，当电场强度超过了一定的阈值，就会导致瞬时击穿，长期使用也可能带来TDDB经时击穿等现象。所以，如果缺乏深刻的理解和科学的筛查方法，在实际的动态工况应力下，栅极氧化层的有效寿命很可能会远远低于预期结果。

结论

越厚的氧化层，越可能使用比典型应用电压高很多的筛查电压，同时保证不损坏能通过筛查试验的无缺陷器件。

英飞凌的沟槽栅可以通过更厚的氧化层和更高的筛选电压，来最大限度地降低栅极氧化层缺陷率，保障可靠性。

这种对SiC材料物理底层的深度理解，以及超过40年沟槽栅技术、沟槽底部电场均匀设计的长期积累，使得英飞凌沟槽栅在SiC领域提前占据了可靠性的领先地位。

看到这里，关于SiC MOSFET的第一个误区——沟槽栅可靠性不如平面栅——也就不攻自破了。关于SiC MOSFET的性能评价还有一个误区：

“SiC的性能主要看单位面积导通电阻Rsp，电阻越小，产品越好。

与平面栅相比，沟槽栅SiC的电阻在高温下漂移更大，这是否会影响可靠性？”

关于这个问题的理解我们将在下篇文章进行详细阐述，敬请持续关注。