SiC功率半导体可靠性全面解析：失效的本质、缺陷控制手段、失效率测试两种方法

- 关于SiC功率半导体可靠性全面解析

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导语：随着电力电子技术的不断发展，碳化硅（SiC）作为一种新型的半导体材料，因其更高的效率和更好的热性能，正逐渐成为功率器件领域的明星。然而，与硅（Si）器件相比，SiC器件在材料特性和运行模式上存在显著差异，因此其可靠性和质量控制成为了一个重要议题。

今天，我们来聊聊SiC功率半导体可靠性的话题，探讨下如何控制和测量基于SiC的功率半导体器件的可靠性？为了更好的解答这个疑问，我们从多个方面进行剖析：

SiC材料的基本特性及其对功率器件的影响是什么？

为什么SiC器件在可靠性验证方面需要做额外的试验（相比Si）？

如何控制SiC MOSFET栅极氧化层缺陷?

如何通过科学、合理方法，准确测量SiC MOSFET的失效概

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目录1.为什么SiC功率半导体的可靠性要特别注意？1.1 SiC材料的基本特性1.2 SiC材料对功率器件的影响1.3 SiC材料对功率器件的影响2. SiC MOSFET迈向商业化的关键问题：栅极氧化层可靠性(知识星球发布)2.1 栅极氧化层的关键作用2.2 栅极氧化层面临的挑战和影响2.3 为什么要关注栅极氧化层可靠性？2.4 SiC Mosfer栅极氧化层缺陷图示说明3. 如何控制SiC MOSFET栅极氧化层缺陷？(知识星球发布)3.1 基本方法逻辑3.2 如何设置"筛子"?4. 如何准确测量SiC MOSFET的失效概率？-两种方法(知识星球发布)

4.1 "马拉松应力试验"的故事

4.2 "栅极电压步进应力试验"的故事

5. 结语

备注：本篇为节选，完整版内容在知识星球中发布

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01

为什么SiC功率半导体的可靠性要特别注意？

我们从SiC基本特性入手，然后看看对功率器件的影响，最后从可靠性验证角度说明：为什么SiC要做一些额外的试验（相对Si）？

1.1 SiC材料的基本特性

SiC是一种由碳（C）和硅（Si）组成的化合物半导体材料，具有许多优异的物理和化学特性。首先，SiC的绝缘击穿场强度远高于Si，达到Si的10倍左右，这意味着SiC器件可以在更高的电压下工作而不发生击穿。其次，SiC的禁带宽度是Si的3倍，这使得SiC器件在高温下仍能保持较好的性能。此外，SiC还具有高热导率、高电子饱和漂移速率等特性，这些特性共同决定了SiC功率器件在高温、高频、大功率应用中的优势。

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1.2 SiC材料对功率器件的影响

由于SiC材料的特性，基于SiC的功率器件在设计和制造过程中面临许多新的挑战。

首先，SiC材料的各向异性导致其在不同晶向上的物理和化学性质存在差异，这要求在器件设计和制造过程中必须充分考虑晶向的影响。其次，SiC材料的缺陷结构比Si更为复杂，包括基底面位错（BPD）、堆垛层错等，这些缺陷可能对器件的性能和可靠性产生不利影响。此外，SiC材料与SiO2的界面特性也与Si存在显著差异，这要求我们在制备栅极氧化层时必须采用更为精细的工艺。

图片来源：网络

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1.3 SiC材料对功率器件的影响

通过上面的解释，可以看出：虽然SiC器件能借用Si器件的很多概念和工艺技术，但SiC材料本身有些特别的地方。下面是一些需要做额外试验的原因：

材料特性不同：SiC材料和Si不一样，它有自己特定的缺陷结构、各向异性（就是不同方向上的性质不同）、机械性能和热性能。这些都要特别关注，看看它们会不会影响器件的可靠性。

带隙大：SiC的带隙比硅大，这会影响MOS器件的界面陷阱密度和动力特性。所以，要专门测试这方面，看看b。

运行电场强：SiC器件能在更高的电场下工作，特别是器件边缘，设计得好的话，电场能增强10倍左右。但这可能对氧化层的寿命有影响，所以要特别测试氧化层的可靠性。

高压快速开关：SiC器件能在高压（比如超过1000V）下快速开关（开关速度超过50V/ns），这种新的运行模式也要特别测试，看看器件能不能稳定工作。

这些额外的试验几乎会影响到所有的质量认证试验。比如，因为力学特性不同、功率循环试验的结果也会不一样。而且，SiC器件的氧化层可靠性试验还要特别关注阻断模式下的稳定性，这是Si器件不需要的。

图片来源：Onsemi

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02

SiC MOSFET迈向商业化的关键问题：栅极氧化层可靠性

多年来，SiC MOSFET的栅极氧化层早期失效问题一直是我们从技术走向商业化道路上的一块绊脚石，也让人们怀疑SiC MOS开关是否能像Si技术那样值得信赖？但好在过去的十年里，SiC技术逐渐走向成熟，这里面的关键正式：SiC MOS器件的栅极氧化层可靠性的明显提升。那么，为什么要关注栅极氧化层可靠性呢？具体又有哪些问题是我们要必须解决的？这些问题来源何处呢？我们一起看看。

2.1 栅极氧化层的关键作用

栅极氧化层是SiC MOSFET器件中的核心部分，位于栅极与半导体之间。它通常由二氧化硅（SiO₂）构成（下图右侧绿色区域），起到绝缘和电容的双重作用。栅极氧化层的质量直接决定了SiC MOSFET沟道的性能，进而影响整个器件的工作效率和稳定性。

图片来源：SysPro

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2.2 栅极氧化层面临的挑战和影响

（知识星球发布）

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2.3 为什么要关注栅极氧化层可靠性？

（知识星球发布）

图片来源：Yole

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2.4 SiC Mosfer栅极氧化层缺陷图示说明

（知识星球发布）

下面我们通过一张图片来看看SiC Mosfer栅极氧化层缺陷来源于何处？首先要说明的是：虽然SiC器件上的SiO2和Si器件上的SiO2在物理击穿场强上可能有些差别，但它们的整体击穿稳定性其实是差不多的。那为什么SiC MOSFET的栅极氧化层可靠性还是不如Si MOSFET呢？原因主要在于一些“外在”的缺陷。......那么，针对这些在SiC制取时带来的栅极氧化层杂质缺陷，我们要如何控制和保证呢？我们继续来聊聊。

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03如何控制SiC MOSFET栅极氧化层缺陷？

（知识星球发布）

在制造SiC MOSFET时，由于SiC材料上制取的栅极氧化层容易含有更多杂质缺陷，所以它的早期失效概率通常比Si要高。可以参考下图（韦伯分布的示意图），SiC MOSFET的栅极氧化层外在缺陷密度比Si MOSFET高出很多

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那么，针对这些在SiC制取时带来的栅极氧化层杂质缺陷，我们要如何控制和保证呢？下面我们参考英飞凌的建议，一些来学习了解下。

3.1 基本方法逻辑

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3.2 如何设置"筛子"?

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图片来源：网络

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04如何准确测量SiC MOSFET的失效概率？两种方法

（知识星球发布）

为了准确预测SiC器件在正常工作条件下的失效概率，探究导致器件早期失效的原因，我们需要进行...

但是，上述方法并不适合研究器件在整个使用寿命和正常工作条件（电压、温度）下可能发生的故障。为了解决这个问题，一般有两种新的试验方法，来验证所有器件的筛查结果以及栅极氧化层的可靠性，我们下面一起来看看。

4.1 "马拉松应力试验"的故事...

4.2 "栅极电压步进应力试验"的故事

...图片来源：网络