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碳化硅（SiC）功率器件作為第三代半導(dǎo)體的核心代表，憑借其高頻、高效、耐高溫、耐高壓等特性，正在新能源汽車、光伏儲能、工業(yè)電源等領(lǐng)域加速替代傳統(tǒng)硅基器件。

基于SiC材料制成的功率MOSFET器件非常適合大功率領(lǐng)域，SiC MOSFET器件可靠性也是產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界研究的熱點和重點。

一、Sic功率器件的可靠性表現(xiàn)

1、高溫穩(wěn)定性

碳化硅的臨界溫度遠高于硅，使得碳化硅功率器件能夠在高溫甚至惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作，從而大大提高了器件的可靠性和壽命。

2、高導(dǎo)熱性

碳化硅具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，使得器件在運行時產(chǎn)生的熱量能夠快速散失，降低了熱失效的風(fēng)險。

3、高飽和漂移速度

碳化硅的電子飽和漂移速度比硅高三倍多，這意味著碳化硅功率器件能夠處理更高的電流密度，從而提高了功率密度和效率。

4、低電阻率

碳化硅的電阻率遠低于硅，使得碳化硅功率器件在導(dǎo)通狀態(tài)下具有更低的損耗，提高了能源利用效率。

5、抗輻射特性

碳化硅功率器件能夠在極端條件下依然保持穩(wěn)定工作，確保系統(tǒng)的可靠性，這得益于其抗輻射特性。

6、故障率變化

在典型的浴盆曲線中，碳化硅器件的故障率變化可分為三個階段：初期失效區(qū)域、可用時期區(qū)域和老化區(qū)域。通過可靠性試驗，可以繪制出芯片的生命周期曲線，以便客戶能在安全的范圍內(nèi)使用。

7、可靠性試驗

進行可靠性試驗是提升產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段，碳化硅器件在Wafer和封裝階段都要做不同的可靠性測試，以排除隱患，避免在使用過程中出現(xiàn)可避免的失效。

綜上所述，碳化硅功率器件在高溫、高壓、高電流密度等惡劣環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和可靠性，其高導(dǎo)熱性、高飽和漂移速度、低電阻率和抗輻射特性也進一步提高了器件的壽命和效率。通過嚴格的可靠性試驗，可以確保碳化硅功率器件在各類應(yīng)用中的長期穩(wěn)定運行。

二、 Sic MOSFET可靠性的影響因素

SiC MOSFET柵介質(zhì)和溝道界面影響器件的性能與可靠性，因此為提高器件的可靠性，需深刻理解柵氧化層等對器件的影響。

1、 柵氧化層的質(zhì)量

SiC基MOSFET器件柵氧界面處的勢壘高度較低，較低的勢壘高度使得溝道中的載流子更容易穿過勢壘進入到氧化層，影響柵氧化層的質(zhì)量。

2、 界面電荷陷阱

界面處的電荷陷阱通過俘獲電荷降低載流子密度，通過庫倫散射降低載流子的遷移率，影響SiC MOSFET的電流能力和跨異等特性。

界面態(tài)的電荷陷阱在器件開啟和關(guān)斷的過程中俘獲和釋放載流子，使得SiC MOSFET的閾值電壓發(fā)生漂移。SiC在氧化過程中殘留在界面處的C元素會在SiC/SiO2界面帶來較高的界面態(tài)密度。

氧化層的質(zhì)量變差以及界面電荷陷阱增大，會增大SiC MOSFET器件在高電場下的隧穿電流、增大漏電流、擊穿柵氧介質(zhì)，從而導(dǎo)致器件失效。

三、 SiC MOSFET器件的可靠性評估手段

高溫柵偏（HTGB-high temperature gate bias）實驗，模擬在導(dǎo)通狀態(tài)下，樣品長時間在高溫高柵壓應(yīng)力條件下的電化學(xué)特征，監(jiān)測漏電流和閾值電壓，依次來評估器件的可靠性。

高溫柵偏一般分為正向高溫柵偏實驗和負向高溫柵偏實驗。在高溫下施加?xùn)牌珘旱那闆r下，柵氧化層中的陷阱、可動離子、SiC/SiO2界面處的界面態(tài)、近界面態(tài)會隨著偏壓應(yīng)力的累積發(fā)生俘獲和運動，高溫下施加的柵極的偏壓應(yīng)力會向柵氧化層中注入并累積一些電荷，隨著電應(yīng)力持續(xù)積累，使得閾值電壓、導(dǎo)通電阻等發(fā)生變化，造成器件失效。

可靠性試驗條件：

1、 正偏壓HTGB：

Tj:175℃,VGS=+20V,VDS=0V,t=168h，試驗168h后進行器件的靜態(tài)特征對比測試；

2、 負偏壓HTGB：

Tj:175℃,VGS=-5V,VDS=0V,t=168h，并在試驗后6、12、24、48、96、168h后進行器件的靜態(tài)特征對比測試；

通過對實驗前后的閾值電壓以及柵漏電特性進行對比，以閾值電壓的漂移幅度作為器件特性變化的評估依據(jù)。

四、Sic功率器件的挑戰(zhàn)與未來方向

盡管國產(chǎn)Sic功率器件進展顯著，但仍需突破以下瓶頸：

1、成本與產(chǎn)能：6英寸晶圓良率及規(guī)模化生產(chǎn)仍需提升，以降低器件成本；

2、專利壁壘：國際巨頭在溝槽柵等技術(shù)上布局密集，國內(nèi)需加強自主知識產(chǎn)權(quán)儲備；

3、生態(tài)建設(shè)：驅(qū)動芯片、封裝材料等配套產(chǎn)業(yè)鏈的國產(chǎn)化率有待提高。

未來，隨著第三代半導(dǎo)體被納入國家戰(zhàn)略，政策與資本將加速資源整合。預(yù)計2025年，國產(chǎn)SiC MOSFET市場占有率有望突破30%，并在高頻電源、儲能PCS、電能質(zhì)量等領(lǐng)域建立差異化優(yōu)勢。

寫在最后的話

SiC基功率器件較Si基材料的功率器件具有更低的導(dǎo)通電阻、更高的開關(guān)頻率、更好的耐高溫及抗輻射性能，有著較好的應(yīng)用前景。

隨著半導(dǎo)體器件技術(shù)的發(fā)展，SiC功率器件得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用，如國外的羅姆、科銳、英飛凌等都推出了自己的SiC MOSFET產(chǎn)品，當然國內(nèi)也有SiC廠家進軍或者已經(jīng)布局SiC MOSFET產(chǎn)品。據(jù)Yole數(shù)據(jù)顯示，全球碳化硅功率器件市場規(guī)模預(yù)計將從2021年10.9億美元增長至2027年62.97億美元，年均復(fù)合增長率達34%。

以碳化硅（SiC）為代表的第三代半導(dǎo)體材料功率器件，在各項性能指標上較現(xiàn)有Si基功率器件有飛躍性的提升，憑借其卓越性能被不斷應(yīng)用于電動汽車、光伏發(fā)電、軌道交通和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域，正引領(lǐng)著電力電子領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命，期待國產(chǎn)SiC MOSFET器件有更好的性能和更高的可靠性。

同時、國產(chǎn)SiC功率器件正以技術(shù)創(chuàng)新為引擎，以車規(guī)級和工業(yè)高端市場為突破口，逐步打破國際壟斷。半導(dǎo)體行業(yè)正通過全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同和可靠性驗證，國產(chǎn)器件不僅能“替代進口”，更能在特定場景實現(xiàn)“性能超越”。未來，隨著技術(shù)迭代與生態(tài)完善，中國將在在全球SiC產(chǎn)業(yè)中占據(jù)重要一席。

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審核編輯 黃宇