SiC MOSFET產業柵極氧化層可靠性挑戰與破局之路

碳化硅（SiC）MOSFET因其高耐壓、低損耗等特性，在新能源、電動汽車等領域備受關注。然而，柵極氧化層可靠性問題始終是制約其大規模應用的核心瓶頸。英飛凌（Infineon）與基本股份（BASiC Semiconductor）作為進口器件與國產器件行業代表，通過技術文檔揭示了當前產業面臨的共性挑戰，并提出了各自的解決方案。本文將結合兩家公司的技術路徑，探討柵極氧化層可靠性的關鍵問題及破局方向。

一、柵極氧化層可靠性問題的核心挑戰

材料界面缺陷的先天劣勢
SiC與SiO2界面存在高密度的界面態和氧化層陷阱，導致電子遷移率降低和局部電場集中。英飛凌指出，SiC柵氧化層的缺陷密度顯著高于硅基器件，易引發局部擊穿（TDDB）和閾值電壓漂移（HTGB）。基本股份的實驗數據顯示，柵極氧化層電場強度超過4 MV/cm時，失效風險急劇上升，而部分競品為追求低導通電阻減薄氧化層，使工作電場遠超安全閾值。

性能與可靠性的權衡困境
柵極氧化層厚度直接影響導通電阻（RDS(on)）和可靠性。英飛凌研究表明，氧化層厚度每增加10 nm，可靠性呈指數級提升，而導通電阻也線性增加。然而，行業普遍存在“薄氧化層陷阱”：為降低成本和導通電阻，部分廠商將氧化層減薄至40nm甚至更低，導致器件柵極氧化層壽命大幅縮短。

篩選與測試的復雜性
英飛凌通過高電壓篩選剔除缺陷器件，但篩選電壓的設定需精確平衡臨界電場與氧化層厚度。基本股份的HTGB和TDDB實驗表明，高溫高壓條件下的加速老化測試是驗證可靠性的關鍵，但測試標準不統一導致行業數據可比性不足，增加了研發和市場推廣的難度。

二、破局之路：技術創新與產業協同

工藝優化與結構創新

溝槽柵結構突破界面限制：英飛凌采用垂直溝槽柵（Trench MOS）設計，利用SiC晶面的各向異性，選擇缺陷密度更低的晶面形成柵極界面，顯著降低溝道電阻。即使采用較厚氧化層（與硅基IGBT相當），仍能實現低導通電阻和高可靠性的平衡。

高質量氧化層生長技術：基本股份通過嚴格的工藝控制減少界面態密度，并采用高壓TDDB測試篩選缺陷，確保氧化層均勻性。

可靠性驅動的設計理念

厚氧化層策略：英飛凌CoolSiC? MOSFET的柵極氧化層厚度為行業最厚，通過犧牲少量性能（導通電阻微增）換取可靠性數量級提升。

全生命周期測試體系：基本股份構建了涵蓋HTGB、TDDB、溫度循環等七大類加速老化實驗的可靠性驗證體系，結合E模型和1/E模型預測器件壽命，確保實際工況下的可靠性。

標準化與產業鏈協同

統一測試標準：推動JEDEC和MIL-STD等標準細化SiC器件可靠性測試方法，明確柵極電場安全閾值（如4 MV/cm）和篩選電壓比例。

上下游技術協同：材料供應商需優化SiC襯底質量，設備廠商開發高精度氧化層沉積設備，共同攻克界面缺陷難題。

三、未來展望：從技術單點到生態構建

柵極氧化層可靠性問題的解決不僅依賴單一技術創新，更需要構建涵蓋材料、工藝、設計和測試的完整生態。英飛凌與基本股份的實踐表明，通過結構優化、嚴格測試和長期可靠性驗證，SiC MOSFET的可靠性短板不再是瓶頸。未來，隨著新工藝等新技術的引入，SiC MOSFET或將在高可靠性與高性能之間找到更優解，推動新能源與電動交通領域的全面升級。

結語
在SiC MOSFET產業中，柵極氧化層可靠性既是技術難點，也是競爭壁壘。唯有堅持長期主義，平衡性能與可靠性，并通過產業鏈協同創新，方能突破瓶頸，實現碳化硅技術的真正普及。

審核編輯 黃宇