芯耀
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全社會都在積極推動低碳化轉(zhuǎn)型，而低碳化的背后其實(shí)是電氣化。在新型電氣能源架構(gòu)中，相比于從前，一次能源到終端用戶的能源轉(zhuǎn)換次數(shù)增多。雖然可再生能源是免費(fèi)的，但是這種多層級的能源轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化效率至關(guān)重要。
SiC正是功率半導(dǎo)體的能效提升技術(shù)，它的出現(xiàn)滿足了低碳化時代兩大全新的市場需求：
1、能效創(chuàng)新：SiC技術(shù)在光伏、儲能、數(shù)據(jù)中心等大功率電源管理領(lǐng)域，能夠顯著提升能源轉(zhuǎn)換效率。隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨笤黾?，SiC的應(yīng)用場景也在不斷擴(kuò)大。
2、設(shè)計創(chuàng)新：在電動車、高鐵動力推進(jìn)系統(tǒng)、機(jī)器人伺服等領(lǐng)域，SiC技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的小型化、低成本和高效節(jié)能。這不僅降低了生產(chǎn)成本，還提升了系統(tǒng)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提供更可靠的碳化硅技術(shù)，并主張“最值得信賴的技術(shù)革命”。隨著SiC技術(shù)的普及，英飛凌的目標(biāo)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(xié)同創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)共贏。
隨著SiC的應(yīng)用增多，客戶對SiC技術(shù)知識的積累正熱情高漲。然而在日常訪客過程中，我發(fā)現(xiàn)即使是資深的研發(fā)工程師，都會存在兩個最常見的認(rèn)知誤區(qū)。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(qū)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(jié)構(gòu)、工藝都很復(fù)雜，底部電場集中，容易引發(fā)長期可靠性問題”
提及“可靠性”，不論是Si還是SiC功率半導(dǎo)體器件，都不得不談到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(zhì)、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(xiàn)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(xiàn)擊穿和早期失效現(xiàn)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，離不開更高效的篩選測試方法。我們使用更高的篩選電壓來發(fā)現(xiàn)氧化層中的絕大部分缺陷。篩選電壓越高，能發(fā)現(xiàn)的缺陷數(shù)量越多，從而篩選后的器件擁有更卓越的可靠表現(xiàn)。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(qiáng)柵極對導(dǎo)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(dǎo)電溝道之間的界面缺陷，平面柵和溝槽柵有何不同？
MOSFET中導(dǎo)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(dǎo)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(xiàn)出完全不同的路況。如果說Si基功率器件導(dǎo)電溝道像是一條高速公路的話，SiC的導(dǎo)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直方向。打個形象的比喻：SiC采用平面柵技術(shù)，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(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(xiàn)高速行駛。如果想要達(dá)到同樣的行駛速度，平面柵就要一腳油門踩到底，這表現(xiàn)在功率器件的技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(shù)的競賽中勝出，一味地追求更低的導(dǎo)通電阻，應(yīng)用平面柵技術(shù)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(zhì)缺陷帶來的有效厚度減損，當(dāng)電場強(qiáng)度超過了一定的閾值，就會導(dǎo)致瞬時擊穿，長期使用也可能帶來TDDB經(jīng)時擊穿等現(xiàn)象。所以，如果缺乏深刻的理解和科學(xué)的篩查方法，在實(shí)際的動態(tài)工況應(yīng)力下，柵極氧化層的有效壽命很可能會遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期結(jié)果。
結(jié)論
越厚的氧化層，越可能使用比典型應(yīng)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(shù)、溝槽底部電場均勻設(shè)計的長期積累，使得英飛凌溝槽柵在SiC領(lǐng)域提前占據(jù)了可靠性的領(lǐng)先地位。
看到這里，關(guān)于SiC MOSFET的第一個誤區(qū)——溝槽柵可靠性不如平面柵——也就不攻自破了。關(guān)于SiC MOSFET的性能評價還有一個誤區(qū)：
“SiC的性能主要看單位面積導(dǎo)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，這是否會影響可靠性？”
關(guān)于這個問題的理解我們將在下篇文章進(jìn)行詳細(xì)闡述，敬請持續(xù)關(guān)注。
