福特汽車：SiCMOS檢測新方法，低成本、更簡單

原創行家說汽車半導體 2025-03-27 14:21

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最近，國產SiC MOSFET質量問題感覺有點被“以偏概全”、過度放大了，一定程度影響了整體國產品牌的聲譽，但實際上一些頭部國產品牌的碳化硅器件質量管控體系還是不錯，行業還是要看到和可能近些年國產碳化硅的進步，而且需要給更多的國產品牌一些成長的“時”和“機”。

客觀來說，對于在怎么用好或者充分發揮SiC MOSFET的優勢，全球企業都在進一步摸索和優化階段，尤其是在檢測SiC MOSFET可靠性問題方面，需要開發出更好的、更高效、更低成本的方式和方法。

前段時間，福特汽車和美國俄亥俄州立大學團隊發布的文獻《使用新型溫度觸發方法分析柵極氧化物屏蔽對?SiC?功率?MOSFET?界面陷阱密度的影響》，宣布開發出了一種新穎的溫度觸發閾值電壓偏移?(T3VS)?方法，用于研究1200V平面柵和溝槽柵SiC MOSFET柵氧層SiC /SiO₂界面處界面態密度（D_it）。

福特汽車證明了這種方法是可行的，而且不需要詳細了解SiC MOSFET器件設計或制造參數，大大降低了檢測設備投入和時間成本（獲取該文獻請加微信：hangjiashuo999）。

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研發背景：?

解決SiC MOS柵氧可靠性問題

福特汽車團隊認為，SiC MOSFET具有很多的優勢，正在很多領域替代硅基開關器件。但是，與硅基競品相比，SiC MOSFET器件SiC/SiO_{2界面處的界面態密度(}D_{it)幾乎高出兩個數量級，這會導致出現性能和可靠性問題。?}

首先，SiC MOSFET的反型溝道遷移率仍在30–50 cm2/V-s范圍內，幾乎比硅器件（>200 cm2/V-s）低一個數量級。?

其次，高Dit會導致閾值電壓不穩定，危及SiC MOSFET器件在運行過程中的可靠性。?

第三，碳化硅襯底和外延高密度的凹坑和孔洞等外部缺陷，以及氧化物中的污染對柵極氧化物的可靠性造成了重大問題。這些缺陷的存在會導致柵極氧化物內局部電場和電流密度增加，導致SiC MOSFET器件過早失效。?

目前，平面柵SiC MOSFET占據市場主導地位，然而，業界越來越關注通道遷移率和短路耐受時間更好的溝槽柵SiC MOSFET器件。但是，相較之下，溝槽SiC MOSFET 的可靠性問題更大，這歸因于其設計和制造工藝。?

一方面，SiC MOSFET的溝槽角落在高柵極偏置下會發生電場擁擠，導致柵極氧化物可靠性下降；?

另一方面，溝槽SiC MOSFET中的柵極氧化物是沉積的，而不是像平面SiC MOSFET那樣是熱生長，因此氧化物的質量也會受到影響。而柵極氧化物處理技術會影響Dit的變化。

因此，需要實施適當的篩選，以有效消除柵極氧化物質量較差的SiC MOSFET器件。目前，業界有兩種篩選技術：

一種基于高壓和高溫的篩選技術，該技術可以去除有缺陷的器件，同時靜態特性（例如閾值電壓Vth）的退化可以忽略不計。但這種方法的篩選條件受限：氧化物場（Escreen）小于9 MV/cm，篩選時間（Tscreen）為100 ms-1 s，這是了防止由于電荷捕獲導致Vth發生大幅負向偏移，從而降低篩選效率。?

另一種是新的室溫篩選方法，稱為調整脈沖篩選 (SWAP)，該方法的的篩選條件為Escreen ≥9MV/cm，Tscreen為10秒，然后采用8MV/cm的調整脈沖（Eadj）。通過在施加Eadj脈沖的同時釋放捕獲的空穴，SWAP有助于恢復由于高Escreen 引起的負Vth偏移，因此這種方法可以實現更高效的器件篩選，并且無需高溫。?

但是，SWAP技術的主要問題是，由于柵極氧化場高，可能會在導帶邊緣附近引入額外的界面態。而界面態的存在會影響 SiC MOSFET 的可靠性和性能，因此業界已經進行了多項研究，以提取能量相關的D_{it分布，尤其是靠近導帶邊緣的分布。?}

目前，業界采用了許多不同技術來提取D_{it分布，然而，這些技術通常表現出有限的適應性，并且通常需要極其靈敏的設備和/或復雜的測量和提取過程。?}

SWAP方法的測試流程。

福特方法：

監測柵壓溫變，輕松提取Dit分布

福特汽車團隊認為，對應他們這些汽車廠商來說，傳統的D_{it提取方法很復雜，需要精密的儀器、復雜的分析，而更為重要的是，做這些分析需要SiC}?MOSFET器件設計和制造相關的深度信息，而SiC MOSFET器件的購買方通常無法獲得這些信息。?

為此，他們希望開發一種新的方法，只需要僅利用SiC MOSFET器件的傳輸特性，就能很簡單地實現Dit數據的提取和分析。?

根據文獻，福特汽車團隊提出了一種新穎而直接的D_{it提取技術，他們將它稱為溫度觸發閾值電壓偏移(T3VS)方法，并且已經將該方法對多家碳化硅供應商的1200V平面和溝槽柵SiC MOSFET進行了進一步驗證。}

碳化硅供應商及SiC MOSFET器件規格?

該團隊表示，在30 K至 450 K的寬溫度范圍內，在恒定漏極電流為1 μA 的情況下，這種技術通過監測柵極電壓隨溫度的變化，就能來提取非常接近導帶邊緣的Dit分布。此外，這種方法是可行的，無需詳細了解器件設計或制造參數。該團隊還得出2個結論：?

一是使用T3VS方法的D_{it分析表明，與平面SiC MOSFET器件相比，溝槽SiC MOSFET器件的Dit明顯更低，因此它在實際應用中更可靠、更高效。通過下圖可以知道，與具有溝槽SiC MOSFET器件（粉、藍和綠曲線）相比，平面柵SiC MOSFET器件（紅和黑曲線）顯示出更高的D_{it。因此，溝槽器件在溝道區域中表現出更高的載流子密度。?}}

此外，溝槽器件非常接近導帶邊緣（ECS-ET) 的較低Dit（～0.05 eV），可提高通道遷移率和閾值電壓穩定性，使其在實際應用中更具吸引力。?