在过去几十年间，功率半导体作为电力电子行业的驱动力之一，主要依靠硅基半导体器件来满足高效率和高功率密度的需求。然而，随着硅材料接近其理论极限，无法满足系统对性能的更高要求。与此同时，碳化硅(
SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带半导体材料因其出色的电学和热学特性，已经突破了传统硅材料的限制，使得功率半导体器件的性能得到显著提升。然而，宽禁带半导体材料在市场上的应用仍较为有限，只有当相应的制造技术成熟并具备竞争力的成本时，才能实现大规模应用。为了达到足够的技术成熟度，宽禁带(WideBandgap, WBG)半导体器件需要不断改进和优化。本文将重点探讨碳化硅在可靠性和寿命方面存在的主要限制。
宽禁带半导体概述：
宽禁带半导体是指带隙较大的半导体材料，其带隙决定了电子从价带跃迁到导带所需的能量。较大的带隙使得器件能够在更高的电压、温度和频率下工作。下图展示了目前热门的宽禁带半导体材料——碳化硅和氮化镓与硅的特性对比。
Wide-bandgap semiconductors
如图所示，宽禁带半导体材料的禁带宽度约为硅的3倍，意味着需要更大的能量来激发电子进行导电。这也解释了为什么宽禁带材料的击穿电场强度是传统硅材料的10倍。此外，禁带宽度还与最大工作温度相关，较大的禁带宽度意味着本征载流子浓度较低，使宽禁带半导体能够在比硅基更高的温度下运行。因为功率半导体需要确保其性能在运行温度下不受本身载流子浓度超过电离掺杂浓度的影响。
我们常用Baliga优值(BFOM—Baliga’s Figure Of Merit)来从理论上评估半导体材料。通过BFOM，我们可以理解碳化硅的优势：
其中，RDS(ON,sp)代表比导通电阻，Ec代表电场强度，μn代表电子迁移率，ɛr代表介电常数。
碳化硅可靠性
在过去的半个多世纪中，硅材料及其器件的制造工艺已经相当成熟和完善，而碳化硅作为一种宽禁带半导体，在这段时间内仍处于研究和探索阶段，直到最近十多年才开始规模应用。随着碳化硅功率器件（主要是SiC MOSFET和SBD）逐渐进入市场，并验证了其出色的电学特性所带来的优势，对于其可靠性和寿命的考虑也变得越来越重要。其中，阈值电压漂移、短路鲁棒性和封装技术等因素对碳化硅的可靠性提出了巨大挑战。
阈值电压漂移（栅极氧化层可靠性）
与硅相比，碳化硅具有更高的临界击穿场强，使得其具备更高的耐压能力和在相同耐压下更薄更小的漂移区电阻。然而，更高的临界场强也意味着碳化硅MOSFET的栅极氧化层面临着更高的电场强度。由于SiO2/SiC的介电常数比值ɛs/ɛox约为2.5，根据此比值可得出氧化层内部的电场强度约为碳化硅半导体中的2.5倍。尽管SiO2的击穿电场强度约为10MV/cm，但目前的技术水平下，为了确保良好的可靠性，碳化硅MOSFET所允许的最大氧化物偏置电场强度约为3.5~4.0MV/cm正向偏置和1.5~2.0MV/cm负向偏置。
在栅极氧化层可靠性方面，我们更关注的是栅极阈值电压漂移。由于制造工艺导致的SiC/SiO2界面态密度（Dit）比Si/SiO2界面高出近2~3个数量级，这就导致了栅极阈值电压的不稳定性，严重影响了碳化硅器件的可靠性。
关于阈值电压漂移的机理，可以大致解释如下。我们认为碳化硅上热生长的氧化物包含四种类型的正电荷：移动电荷（m）、固定氧化物电荷（F）、捕获氧化物电荷（T）和界面态电荷（I）。
阈值电压随时间的漂移可以表示为：
Vthi为初始阈值电压，Cox为栅极氧化层比电容。从理论上讲，在驱动和高温条件下，正向阈值电压的较大漂移主要归因于两个方面。首先，电子直接隧穿进入SiC/SiO2界面附近的氧化物陷阱；其次，在较薄的栅极氧化层情况下，Fowler-Nordheim隧穿电流会向氧化层注入额外的电子，从而引起进一步的阈值电压漂移。
碳化硅器件可靠性的考虑因素主要包括栅极氧化层可靠性和阈值电压漂移，以及开关过程中的Vgs,on和Vgs,off应力导致的阈值电压偏移。
栅极氧化层可靠性是通过高温栅极偏置测试来评估的。在这种测试中，在高温环境下（如175℃），对栅极施加特定的正栅极电压，并在没有漏极电流的情况下存储1000小时。在这种静态栅极偏置测试中，正栅极电压会引起阈值电压正向偏移，而负栅极电压则会引起阈值电压向下偏移。通常情况下，阈值电压偏移在几百mV范围内被认为是正常的。然而，在实际应用中，功率半导体器件经常处于正栅极偏置和高结温(Tj)的脉冲电流下工作，这将导致更大的阈值电压偏移。因此，使用功率循环(PC)来评估阈值电压偏移及其带来的影响更接近实际工作条件。
阈值电压的漂移会影响碳化硅MOSFET的导通电阻，即导通压降VDS。导通电阻可以表示为Lch和W乘以氧化层比电容Cox除以反型层电子迁移率μin。由于器件的常数Lch、W和Cox可以认为是固定的，而μin随温度升高而降低。因此，正向偏移的阈值电压将增加碳化硅MOSFET的导通电阻，导致导通损耗增加，结温增加。在功率循环过程中，随着阈值电压不断增大，导通电阻也会不断增大，进一步增加结温。这种由阈值电压偏移引起的正反馈效应对碳化硅MOSFET的可靠性产生了严重影响。
除了永久性的阈值电压偏移，开关过程中的Vgs,on和Vgs,off应力也会导致阈值电压偏移。阈值电压的迟滞现象与界面态的充放电情况有关。在开启过程中，当负栅极电压Vg,off减小时，界面态会放电，导致阈值电压减小。这会影响碳化硅MOSFET的动态性能，加快开启速度并降低开通损耗Eon，但也可能导致漏极电流过大，增加开关损耗和器件老化速度。此外，阈值电压迟滞还会影响多并联配置下的动态均流，从而降低器件的可靠性和寿命。因此，在设计碳化硅器件时，合理选择Vg,off和设计驱动参数非常重要。
需要注意的是，阈值电压的迟滞现象是可以恢复的，但对于开关速度较快的碳化硅器件来说，它对动态特性的影响仍然不能忽视。
短路的鲁棒性
碳化硅MOSFET的短路耐受时间(SCWT)是一个被广泛讨论的话题。传统的硅基IGBT通常具有大约10微秒的耐受时间，而碳化硅通常只有几个微秒（例如2~4微秒），具体数值与每个供应商的设计有关。
碳化硅的比沟道电阻可以用以下公式表示：
其中Lch和Wch分别表示沟道的长度和宽度，μch表示沟道的迁移率，Cox表示氧化层的比电容，Vgs表示驱动电压，Vth表示阈值电压，W和S表示MOSFET单元的宽度和间距。
可以看出，增加电子迁移率并优化结构可以降低沟道电阻，但任何降低沟道电阻的措施都会相应地导致饱和电流密度成比例增加。饱和电流密度可以表示为：
这将影响短路耐受时间tsc。短路耐受时间tsc可以表示为：
其中ρ是材料的密度，Cp是比热容，Jd,sat是饱和电流密度，Ec是临界电场，WJ是JFET区域的宽度，S是单元间距，ΔTmax是最大可接受的温升，Vds是施加的漏极电压，VB是器件的耐压。
可以看出，短路耐受时间与临界电场成反比。因此，碳化硅通常比类似功率等级的硅器件具有更短的短路耐受时间。然而，降低沟道电阻或进一步缩短短路耐受时间需要进行权衡。较短的短路耐受时间对于实际应用中驱动电路的设计提出了更高的要求，并使在较短的短路时间内保护器件变得更为重要。
封装
在高温下，半导体芯片、铜和陶瓷材料之间的热膨胀系数(CTE)的巨大变化会引起显著的热应力，限制了器件的最高工作温度和寿命。同时，由绑定线引入的杂散电感也会影响电路的稳定性。随着碳化硅优异性能的发展，传统基于硅的封装技术已无法很好地适应其快速发展的步伐。
基于碳化硅的高临界电场和低本征载流子浓度，碳化硅芯片可以在超过200℃的高温下工作。同时，碳化硅芯片尺寸更小，导致更大的热应力集中。传统封装技术几乎无法满足这种需求，因此需要引入新的封装技术来提高热机械可靠性。目前，我们可以尝试使用不同材料的DCB或AMB来提高碳化硅模块的性能，例如AlN、Si3N4等。
总结
碳化硅具有高临界电场和高热导率等优势，为电力电子系统的发展提供了延续，但与传统硅相比，碳化硅的技术和成本仍然不够成熟。尽管碳化硅具有出色的物理特性和电学特性，但在栅极氧化层可靠性、短路鲁棒性和封装等方面仍存在限制，影响着器件的可靠性和寿命。
随着碳化硅生产工艺和相关配套技术的不断发展，相信其可靠性和寿命将会提升。未来，我们可以期待碳化硅技术得到进一步完善，并逐渐成为主流的电力电子器件。
关键词：罗姆SiC（碳化硅）功率器件
