在高電壓、高溫、高頻的電力電子應(yīng)用中，碳化硅MOSFET因其出色的材料特性逐漸取代傳統(tǒng)硅基器件，成為高壓領(lǐng)域的核心選擇。然而，器件的長期可靠性依然是制約其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素，特別是柵極氧化層的老化行為及其導(dǎo)致的性能退化問題，已成為研究和工業(yè)界共同關(guān)注的技術(shù)焦點(diǎn)。

一、SiC MOSFET柵氧老化機(jī)制概述

相較于硅器件，SiC MOSFET采用熱氧化工藝形成的柵極氧化層存在較多界面缺陷，源于碳原子在氧化過程中的難以完全去除。這些殘留的碳相關(guān)缺陷在高場高溫條件下會(huì)加速電子捕獲，導(dǎo)致閾值電壓漂移、柵漏電流上升，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)穿通擊穿。

此外，在高壓環(huán)境中，SiC材料的較高本征電場使得柵氧更容易承受局部電場尖峰，從而觸發(fā)電荷注入效應(yīng)，引發(fā)氧化層中陷阱態(tài)的不可逆變化。這種老化過程往往起始于微觀損傷的積累，最終在器件承受較高反偏電壓時(shí)誘發(fā)失效。

二、典型加速測試方法分析

為了在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中快速評估柵氧老化趨勢與壽命，研究人員發(fā)展出多種加速測試方法。其中，高溫柵極偏置試驗(yàn)（HTGB）是最常用的柵氧評估手段之一。通過在150°C以上的環(huán)境中，對MOSFET柵極施加正向偏壓，持續(xù)數(shù)百小時(shí)，監(jiān)測柵極泄漏電流與閾值電壓變化情況，可以模擬器件在高壓運(yùn)行時(shí)的柵氧劣化行為。

另一個(gè)重要手段是反偏狀態(tài)下的電熱耦合應(yīng)力試驗(yàn)。該方法利用源極與柵極短接，對漏極施加高壓并控制芯片工作溫度，考察漏柵間電流與擊穿電壓的變化趨勢。其優(yōu)點(diǎn)在于更貼近實(shí)際應(yīng)用中的擊穿模式，可有效揭示器件在系統(tǒng)中可能遭遇的電場失效隱患。

三、實(shí)驗(yàn)研究與器件行為分析

針對不同JFET結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高壓SiC MOSFET樣品，通過HTGB及反偏柵應(yīng)力雙重測試發(fā)現(xiàn)，JFET區(qū)寬度越大，其柵氧所受橫向電場越強(qiáng)，出現(xiàn)閾值電壓漂移與柵漏電上升的概率也更高。仿真進(jìn)一步驗(yàn)證了這一結(jié)論，在同等工作電壓下，寬JFET結(jié)構(gòu)下的柵氧區(qū)域電位顯著高于窄結(jié)構(gòu)，增加了老化速率。

而在高溫反偏電壓測試中，不同樣品在2000V以上電壓與175°C環(huán)境下的IDG值上升明顯，部分器件漏電甚至突破50nA，說明其柵氧層已出現(xiàn)應(yīng)力退化或缺陷導(dǎo)通通道。

四、老化行為與設(shè)計(jì)改進(jìn)建議

從長期運(yùn)行的可靠性角度來看，SiC MOSFET柵氧層的老化行為主要由界面缺陷累積、電場集中特性及結(jié)構(gòu)熱分布不均所導(dǎo)致。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)化JFET區(qū)域?qū)挾龋胶怆妶鎏荻龋粬叛豕に嚪矫妫梢氲趸夹g(shù)（NO anneal）以改善界面質(zhì)量，降低陷阱態(tài)密度；同時(shí)引入電場鈍化結(jié)構(gòu)，如浮柵或源極保護(hù)帶結(jié)構(gòu)，也有助于提升柵氧抗老化能力。

總結(jié)

隨著高壓SiC MOSFET在軌道交通、電力系統(tǒng)、新能源裝備中的深入應(yīng)用，其柵氧化層的可靠性表現(xiàn)愈發(fā)關(guān)鍵。通過高溫偏置與反偏電熱應(yīng)力等加速測試方法，不僅能揭示器件潛在的失效模式，也為后續(xù)產(chǎn)品工藝優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。未來，結(jié)合仿真分析與物理建模，將進(jìn)一步推動(dòng)SiC功率器件在高可靠性場景中的實(shí)用化發(fā)展。