【導讀】近年來，因為新能源汽車
、光伏及儲能
、各ge種zhong電dian源yuan應ying用yong等deng下xia遊you市shi場chang的de驅qu動dong
，碳tan化hua矽gui功gong率lv器qi件jian取qu得de了le長chang足zu發fa展zhan。更geng快kuai的de開kai關guan速su度du，更geng好hao的de溫wen度du特te性xing使shi得de係xi統tong損sun耗hao大da幅fu降jiang低di，效xiao率lv提ti升sheng，體ti積ji減jian小xiao
，從cong而er實shi現xian變bian換huan器qi的de高gao效xiao高gao功gong率lv密mi度du化hua。但dan是shi，像xiang碳tan化hua矽gui這zhe樣yang的de寬kuan帶dai隙xi（WBG）器件也給應用研發帶來了設計挑戰，因而業界對於碳化矽MOSFET浪湧電流、短路能力、柵極可靠性等仍心存疑慮
，對於平麵柵和溝槽柵的選擇和權衡也往往迷惑不清。

碳化矽MOSFET性能如何？

650V-1200V電壓等級的SiC MOSFET商業產品已經從Gen 2發展到了Gen3，隨著技術的發展，元胞寬度持續減小，比導通電阻持續降低，器件性能超越Si器件，浪湧電流、短路能力、柵氧可靠性等可靠性問題備受關注。那麼SiC MOSFET體二極管能抗多大的浪湧電流？其短路能力如何？如何保證柵極可靠性？

SiC MOSFET的體二極管抗浪湧電流大小與芯片的大小成正比。派恩傑半導體采用自己搭建的10ms正弦半波浪湧極限測試平台和10us方波半波浪湧極限測試平台，對其1200V的SiC MOSFET P3M12080K3進行抽樣測試10ms IFSM >120A, 10usIFSM>1100A。

圖1 10ms浪湧極限測試平台

圖2 10us浪湧極限測試平台

至於短路能力，相較於Si IGBT
，SiC MOSFET電流密度更高且柵極氧化層較薄，其短路能力要弱於Si IGBT，但其依然有一定的短路能力。

下表是派恩傑半導體部分產品短路能力：

表1 1200V/650V MOSFET器件短路耐量

派恩傑半導體針對柵極的可靠性是嚴格按照AEC-Q101標準進行，在柵極分別加負壓和正壓（-4V/+15V）溫度175℃下進行HTGBR和HTRB實驗1000h無產品失效。除了常規AEC-Q101中要求的1000h小時實驗，派恩傑半導體對於柵極壽命進行了大量研究。由於SiC/SiO2界麵存在比Si/SiO2更大數量級的雜質缺陷，因此SiC MOSFET通常擁有更高的早期失效概率。為了提高SiC MOSFET的柵極可靠性，通過篩選識別並出早期失效非常重要。派恩傑半導體通過TDDB實驗建立柵氧加速模型並建立篩選機製來消除潛在的失效可能性器件。

除了TDDB外，當正常器件使用時，由於半導體-氧化界麵處缺陷的產生或充放電，SiC MOSFET的閾值電壓會有漂移現象

，閾值電壓的漂移可能對器件長期運行產生明顯影響。派恩傑半導體在高溫條件下給SiC MOSFET施加恒定的DC偏壓


，觀察其閾值電壓的變化量。一般施加正向偏壓應力時，閾值電壓向更高的電壓偏移
；施加負向偏壓應力時
，閾值電壓向更低的電壓偏移。這種效應是由於SiC/SiO2界麵處或附近的載流子捕獲引起的
，負向高壓使MOS界麵附近的空穴被俘獲，產生更多的空穴陷阱；相反正向高壓造成電子的俘獲。當然，也有的競品產品在施加正向偏壓應力時
，閾值電壓向更低的電壓偏移；施加負向偏壓應力時，閾值電壓向更高的電壓偏移。這是由於可移動離子在SiC/SiO2界麵積累造成的
，正向的偏壓使得正性的可移動離子在SiO2/SiC界麵積累
，造成閾值電壓負向漂移；負向的偏壓使得正性的可移動離子在poly/SiO2界麵積累，造成閾值電壓正偏。

為評估器件在使用過程中閾值電壓漂移情況

，派恩傑半導體進行了大量BTI實驗，基於實驗數據建立了PBTI&NBTI模型
，借助模型可知曉器件在不同溫度和柵壓情況下的閾值電壓漂移程度。以P3M12080K4產品為例，該產品在極端應用情況下(PBTI:Vgs=19V，TA=150℃)使用20年閾值電壓的漂移情況（+0.348V）,該產品在極端應用情況下(NBTI:Vgs=-8V，TA=150℃)使用20年閾值電壓的漂移情況（-0.17V）。

Cascode、平麵柵、溝槽柵對比

為提高高壓電源係統能源效率
，半導體業者無不積極研發經濟型高性能碳化矽功率器件，例如Cascode結構、碳化矽MOSFET平麵柵結構、碳化矽MOSFET溝槽柵結構等。這些不同的技術對於碳化矽功率器件應用到底有什麼影響，該如何選擇呢
？

首先


，Cascode是指采用SiMOSFET和常開型的SiC JFET串聯連接
，如圖3所示。當SiMOSFET柵極為高電平時，MOSFET導通使得SiCJFET的GS短路，從而使其導通。當SiMOSFET柵極為低電平時，其漏極電壓上升直至使SiC JFET的GS電壓達到其關斷的負壓時，這時器件關斷。Cascode結構主要的優點是相同的導通電阻有更小的芯片麵積，由於柵極開關由SiMOSFET控製

，使得客戶在應用中可以沿用Si的驅動設計，不需要單獨設計驅動電路。

圖3 SiC Cascode結構示意圖

派恩傑半導體認為，Cascode結構隻是從Si產品轉向SiC產品的一個過渡產品

，因為Cascode結構完全無法發揮出SiC器件的獨特優勢。首先，由於集成了Si MOSFET限製了Cascode的高溫應用
，特別是其高溫Rdson會達到常溫下的2倍；其次，器件開關是由Si MOSFET控製
，因此開關頻率遠低於正常SiC MOSFET器件，這是由於JFET和Si MOSFET的合封，其dv/dt也隻能達到10V/ns以下，而SiC MOSFET的dv/dt通常可以到達30V/ns~80V/ns。這些缺點使得Cascode也無法減小無源元件的尺寸，從而達到減小整體係統體積和成本的需求；最後，雖然從Cascode結構上是由SiC高壓JFET器件來承受母線電壓，但是在開關過程中，MOSFET和JFET的輸出電容依然會分壓
，當回路中存在電壓震蕩時，低壓Si MOSFET依然有被擊穿的風險。

SiC MOSFET溝槽柵的主要優勢來源於縱向溝道，這不但提高了載流子遷移率（這是由於SiC(11)晶麵的遷移率高於(0001)晶麵）而且可以縮小元胞尺寸從而有比平麵型MOSFET更低的比導通電阻。然而，由於SiC非常堅硬
，想要獲得均勻
，光滑且垂直的刻蝕表麵的工藝難度和控製要求都非常的高，這也是隻有英飛淩和Rohm推出溝槽柵SiC MOSFET的原因。

溝gou槽cao柵zha工gong藝yi不bu僅jin對dui工gong藝yi實shi現xian要yao求qiu非fei常chang高gao，在zai可ke靠kao性xing方fang麵mian也ye存cun在zai一yi定ding的de風feng險xian。首shou先xian，由you於yu溝gou槽cao刻ke蝕shi後hou表biao麵mian粗cu糙cao度du和he角jiao度du的de限xian製zhi使shi得de溝gou槽cao柵zha的de柵zha氧yang質zhi量liang存cun在zai風feng險xian；其次，由於SiC的de各ge向xiang異yi性xing

，溝gou槽cao側ce壁bi的de氧yang化hua層ceng厚hou度du和he溝gou槽cao底di部bu的de氧yang化hua層ceng厚hou度du不bu同tong，因yin此ci必bi須xu采cai用yong特te殊shu的de結jie構gou和he工gong藝yi來lai避bi免mian溝gou槽cao底di部bu特te別bie是shi拐guai角jiao部bu分fen的de擊ji穿chuan，這zhe也ye增zeng加jia了le溝gou槽cao柵zha柵zha氧yang可ke靠kao性xing的de不bu確que定ding性xing；最後，由於trenchMOSFET的結構，使得trench柵氧的電場強度要高於平麵型
，這也是Infineon和Rohm要做單邊和雙溝槽的原因。

SiC MOSFET平麵柵則是最早也是應用最廣泛的結構，目前主流的產品均使用該結構。派恩傑半導體產品采用的是也是平麵柵MOSFET結構。基於平麵柵結構，派恩傑已經發布了650V-1700V各個電壓平台的SiC MOSFET，而且已經順利在新能源龍頭企業批量供貨，實現“上車”。

圖4 派恩傑產品發布情況

來源：三代半煉金術師

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