第三代半导体碳化硅(Sic)功率器件可靠性的详解；

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碳化硅（SiC）功率器件作为第三代半导体的核心代表，凭借其高频、高效、耐高温、耐高压等特性，正在新能源汽车、光伏储能、工业电源等领域加速替代传统硅基器件。

基于SiC材料制成的功率MOSFET器件非常适合大功率领域，SiC MOSFET器件可靠性也是产业界和学术界研究的热点和重点。

一、Sic功率器件的可靠性表现

1、高温稳定性

碳化硅的临界温度远高于硅，使得碳化硅功率器件能够在高温甚至恶劣环境下稳定工作，从而大大提高了器件的可靠性和寿命。

2、高导热性

碳化硅具有优异的导热性能，使得器件在运行时产生的热量能够快速散失，降低了热失效的风险。

3、高饱和漂移速度

碳化硅的电子饱和漂移速度比硅高三倍多，这意味着碳化硅功率器件能够处理更高的电流密度，从而提高了功率密度和效率。

4、低电阻率

碳化硅的电阻率远低于硅，使得碳化硅功率器件在导通状态下具有更低的损耗，提高了能源利用效率。

5、抗辐射特性

碳化硅功率器件能够在极端条件下依然保持稳定工作，确保系统的可靠性，这得益于其抗辐射特性。

6、故障率变化

在典型的浴盆曲线中，碳化硅器件的故障率变化可分为三个阶段：初期失效区域、可用时期区域和老化区域。通过可靠性试验，可以绘制出芯片的生命周期曲线，以便客户能在安全的范围内使用。

7、可靠性试验

进行可靠性试验是提升产品质量的重要手段，碳化硅器件在Wafer和封装阶段都要做不同的可靠性测试，以排除隐患，避免在使用过程中出现可避免的失效。

综上所述，碳化硅功率器件在高温、高压、高电流密度等恶劣环境下表现出优异的稳定性和可靠性，其高导热性、高饱和漂移速度、低电阻率和抗辐射特性也进一步提高了器件的寿命和效率。通过严格的可靠性试验，可以确保碳化硅功率器件在各类应用中的长期稳定运行。

二、 Sic MOSFET可靠性的影响因素

SiC MOSFET栅介质和沟道界面影响器件的性能与可靠性，因此为提高器件的可靠性，需深刻理解栅氧化层等对器件的影响。

1、 栅氧化层的质量

SiC基MOSFET器件栅氧界面处的势垒高度较低，较低的势垒高度使得沟道中的载流子更容易穿过势垒进入到氧化层，影响栅氧化层的质量。

2、 界面电荷陷阱

界面处的电荷陷阱通过俘获电荷降低载流子密度，通过库伦散射降低载流子的迁移率，影响SiC MOSFET的电流能力和跨异等特性。

界面态的电荷陷阱在器件开启和关断的过程中俘获和释放载流子，使得SiC MOSFET的阈值电压发生漂移。SiC在氧化过程中残留在界面处的C元素会在SiC/SiO2界面带来较高的界面态密度。

氧化层的质量变差以及界面电荷陷阱增大，会增大SiC MOSFET器件在高电场下的隧穿电流、增大漏电流、击穿栅氧介质，从而导致器件失效。

三、 SiC MOSFET器件的可靠性评估手段

高温栅偏（HTGB-high temperature gate bias）实验，模拟在导通状态下，样品长时间在高温高栅压应力条件下的电化学特征，监测漏电流和阈值电压，依次来评估器件的可靠性。

高温栅偏一般分为正向高温栅偏实验和负向高温栅偏实验。在高温下施加栅偏压的情况下，栅氧化层中的陷阱、可动离子、SiC/SiO2界面处的界面态、近界面态会随着偏压应力的累积发生俘获和运动，高温下施加的栅极的偏压应力会向栅氧化层中注入并累积一些电荷，随着电应力持续积累，使得阈值电压、导通电阻等发生变化，造成器件失效。

可靠性试验条件：

1、 正偏压HTGB：

Tj:175℃,VGS=+20V,VDS=0V,t=168h，试验168h后进行器件的静态特征对比测试；

2、 负偏压HTGB：

Tj:175℃,VGS=-5V,VDS=0V,t=168h，并在试验后6、12、24、48、96、168h后进行器件的静态特征对比测试；

通过对实验前后的阈值电压以及栅漏电特性进行对比，以阈值电压的漂移幅度作为器件特性变化的评估依据。

四、Sic功率器件的挑战与未来方向

尽管国产Sic功率器件进展显著，但仍需突破以下瓶颈：

1、成本与产能：6英寸晶圆良率及规模化生产仍需提升，以降低器件成本；

2、专利壁垒：国际巨头在沟槽栅等技术上布局密集，国内需加强自主知识产权储备；

3、生态建设：驱动芯片、封装材料等配套产业链的国产化率有待提高。

未来，随着第三代半导体被纳入国家战略，政策与资本将加速资源整合。预计2025年，国产SiC MOSFET市场占有率有望突破30%，并在高频电源、储能PCS、电能质量等领域建立差异化优势。

写在最后的话

SiC基功率器件较Si基材料的功率器件具有更低的导通电阻、更高的开关频率、更好的耐高温及抗辐射性能，有着较好的应用前景。

随着半导体器件技术的发展，SiC功率器件得到了快速的发展和应用，如国外的罗姆、科锐、英飞凌等都推出了自己的SiC MOSFET产品，当然国内也有SiC厂家进军或者已经布局SiC MOSFET产品。据Yole数据显示，全球碳化硅功率器件市场规模预计将从2021年10.9亿美元增长至2027年62.97亿美元，年均复合增长率达34%。

以碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体材料功率器件，在各项性能指标上较现有Si基功率器件有飞跃性的提升，凭借其卓越性能被不断应用于电动汽车、光伏发电、轨道交通和风力发电等领域，正引领着电力电子领域的又一次技术革命，期待国产SiC MOSFET器件有更好的性能和更高的可靠性。

同时、国产SiC功率器件正以技术创新为引擎，以车规级和工业高端市场为突破口，逐步打破国际垄断。半导体行业正通过全产业链协同和可靠性验证，国产器件不仅能“替代进口”，更能在特定场景实现“性能超越”。未来，随着技术迭代与生态完善，中国将在在全球SiC产业中占据重要一席。

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审核编辑 黄宇