第31讲：SiC MOSFET的可靠性研究与应用进展
近年来，碳化硅（SiC）功率半导体凭借其在电力电子系统中提升性能与能效的潜力，获得了业界的广泛关注。相较于传统的硅（Si）材料，SiC具备单极性器件结构和出色的物理特性，有助于显著降低功率模块的损耗。表1中对比了Si与SiC的材料特性。由于SiC具备更宽的禁带宽度，它能够承受更高的击穿电场，并能在较高温度环境下稳定运行。同时，其导热性能优于硅，有利于系统散热。
表1：硅材料与碳化硅材料的物理特性对比
尽管SiC在多项性能上优于硅，但其也面临硅材料所不具备的挑战，例如晶体缺陷问题和栅氧化层的可靠性问题。图1展示了Si与SiC的故障率随时间变化的趋势曲线（即浴盆曲线）。由于SiC晶圆中晶体缺陷较多，且内部电场强度较高，因此在早期失效阶段的故障率高于硅器件。
图1：Si和SiC的故障率随时间变化曲线
为了提升SiC器件的质量与可靠性，使其达到与硅器件相当的水平，相关企业引入了定制化的老化测试（Burn-in）流程。该测试主要评估栅氧化层的质量以及SiC晶圆的结构稳定性。由栅氧化层缺陷引发的失效模式包括异常栅极漏电流和栅极阈值电压（VGS(th)）波动等，因此，保障栅氧化层质量成为关键任务之一。
企业依托长期积累的数据，包括栅氧化层寿命的电压加速特性、故障与性能变化的检测方法，以及基于高阶概率统计模型的分析结果，优化了老化测试的参数条件。通过这一过程，SiC功率半导体的质量得到了显著提升。图2对比了老化测试前后Si与SiC的故障率曲线。测试结果显示，优化后的SiC器件在可靠性方面已接近硅器件的水平。
图2：Si和SiC的故障率随时间变化曲线（加速老化试验后）
凭借这些技术突破，该公司的SiC功率器件已率先被应用于对质量要求极高的轨道交通车辆主变流器系统，并在市场上展现出良好的应用表现。