自SiC材料憑借其更優(yōu)的溫度穩(wěn)定性，更高的功率密度和更高的耐壓為特斯拉所采用之后，各汽車廠商為了提高續(xù)航里程以及能量效率越來越多的跟進使用SiC芯片構(gòu)成的能量管理系統(tǒng)。此舉推動了SiC功率器件/模塊在越來越多的應(yīng)用場景中取代Si基功率芯片，同時也為其發(fā)展出更多的機會應(yīng)用在新場景中。

目前針對SiC的研究已相當(dāng)深入，仍有不少人關(guān)注SiC材料的柵氧能力，本文對此再做一個簡要介紹。如圖1所示，相較于Si基材料，SiC與SiO2柵氧層界面缺陷密度更高，SiC早期失效、非本征失效(虛線)發(fā)生的概率要比Si材料的高三四個數(shù)量級；而在本征失效(實線)部分Si與SiC產(chǎn)品的氧化層擊穿極限是一致的；這意味著若能夠?qū)iC器件中未能達到壽命要求的那些器件篩選掉，可得到與Si器件相比擬的可靠性，若是使用更嚴(yán)格但不損傷芯片的篩選條件，可以得到可靠性優(yōu)越的器件。

圖1：相同厚度及面積氧化層的Si材料和SiC材料的非本征失效及本征失效的Weibull分布；F是累積失效率，t是時間，Chip life time是芯片需要達到的最小壽命。圖片來源JEP122H。

關(guān)于SiC MOSFET柵氧能力，目前有HTGB（高溫柵壓測試），HTGBR（高溫柵壓反偏測試）等傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的測試方法，這些方法能對SiC器件柵氧可靠性進行評估。派恩杰的產(chǎn)品除了這些實驗之外，團隊早已緊跟前沿，于2021年上半年即通過TDDB實驗確定芯片篩選條件，本文將簡要介紹篩選后器件經(jīng)過馬拉松（Marathon）實驗的典型結(jié)果。

目前派恩杰所做馬拉松實驗的思路和方法如下：首先對于實驗產(chǎn)品施加合適的柵壓進行篩選，然后隨機選取通過篩選的樣品(一般為千數(shù)量級)，進行100天的長時間高柵壓應(yīng)力、高溫度應(yīng)力測試，再將實驗結(jié)果通過1/E模型評估產(chǎn)品可靠性。所采用的實驗思路來自于國際大廠、學(xué)界曾做過的實驗及相關(guān)文獻。

實驗結(jié)果

派恩杰團隊近期結(jié)束了1200V80mΩ的P3M12080K3產(chǎn)品為期100天的馬拉松實驗。實驗中，派恩杰選取了合適的柵壓條件Vgs = 25V，環(huán)境溫度也是嚴(yán)苛的175℃，實驗結(jié)果如圖2所示：

圖2：橙色實驗數(shù)據(jù)為加壓條件下得到的結(jié)果，藍色數(shù)據(jù)為1/E模型得到柵極使用規(guī)格書電壓等效結(jié)果。

使用此壽命模型，實驗結(jié)果：派恩杰的P3M12080K3產(chǎn)品在目前的篩選條件下，能夠很好地消除SiC材料的失效風(fēng)險，PPM為個位數(shù)，與國際競品廠商論文及報告中的器件可靠性接近。這也意味著派恩杰產(chǎn)品不僅能通過嚴(yán)苛的車規(guī)測試，也可以很好地適用于新能源和光伏等領(lǐng)域。

參考文獻：

[1]JEP122H；

[2] M. Beier-Moebius and J. Lutz, "Breakdown of gate oxide of 1.2 kV SiC-MOSFETs under high temperature and high gate voltage," PCIM Europe 2016; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, 2016, pp. 1-8.

[3] Yu, Liangchun & Dunne, Greg & Matocha, Kevin & Cheung, Kin & Suehle, John & Sheng, Kuang. (2011). Reliability Issues of SiC MOSFETs: A Technology for High-Temperature Environments. Device and Materials Reliability, IEEE Transactions on. 10. 418 - 426. 10.1109/TDMR.2010.2077295.

第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料前沿技術(shù)探討交流平臺，幫助工程師了解SiC/GaN全球技術(shù)發(fā)展趨勢。所有內(nèi)容都是SiC/GaN功率器件供應(yīng)商派恩杰半導(dǎo)體創(chuàng)始人黃興博士和派恩杰工程師原創(chuàng)。

黃興博士

派恩杰 總裁 &技術(shù)總監(jiān)

美國北卡州立大學(xué)博士，師承Dr. B. Jayant Baliga（IEEE終身會員，美國科學(xué)院院士，IGBT發(fā)明者，奧巴馬授予國家技術(shù)創(chuàng)新獎?wù)拢┡cDr. Alex Q. Huang（IEEE Fellow, 發(fā)射極關(guān)斷晶閘管（ETO）的發(fā)明者）。10余年碳化硅與氮化鎵功率器件經(jīng)驗，在世界頂尖碳化硅實驗室參與美國自然科學(xué)基金委FREEDM項目、美國能源部Power America項目，曾任職于Qorvo Inc.、聯(lián)合碳化硅。2018年成立派恩杰半導(dǎo)體，立志于幫助中國建立成熟的功率器件產(chǎn)業(yè)鏈。

派恩杰半導(dǎo)體

成立于2018年9月的第三代半導(dǎo)體功率器件設(shè)計和方案商，國際標(biāo)準(zhǔn)委員會JC-70會議的主要成員之一，參與制定寬禁帶半導(dǎo)體功率器件國際標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)布了100余款650V/1200V/1700V SiC SBD、SiC MOSFET、GaN HEMT功率器件，其中SiC MOSFET芯片已大規(guī)模導(dǎo)入國產(chǎn)新能源整車廠和Tier 1，其余產(chǎn)品廣泛用于大數(shù)據(jù)中心、超級計算與區(qū)塊鏈、5G通信基站、儲能/充電樁、微型光伏、城際高速鐵路和城際軌道交通、家用電器以及特高壓、航空航天、工業(yè)特種電源、UPS、電機驅(qū)動等領(lǐng)域。

審核編輯 ：李倩