SiC MOSFET：经济高效且可靠的大功率解决方案

碳化硅已被证明是高功率和高电压设备的理想材料。但是，设备的可靠性非常重要，我们指的不仅仅是短期的可靠性，还有长期的可靠性。性能、成本和可制造性也是其他重要因素，但可靠性和耐用性是碳化硅成功的关键。

碳化硅(SiC)材料是功率半导体行业主要进步发展方向，用于制作功率器件，可显着提高电能利用率。可预见的未来内，新能源汽车是碳化硅功率器件的主要应用场景。特斯拉作为技术先驱，已率先在Model 3中集成全碳化硅模块，其他一线车企亦皆计划扩大碳化硅的应用。随着碳化硅器件制造成本的日渐降低、工艺技术的逐步成熟，碳化硅功率器件行业未来可期。

碳化硅(SiC)是第三代化合物半导体材料。半导体产业的基石是芯片，制作芯片的核心材料按照历史进程分为：第一代半导体材料(大部分为目前广泛使用的高纯度硅)，第二代化合物半导体材料(砷化镓、磷化铟)，第三代化合物半导体材料(碳化硅、氮化镓) 。碳化硅因其优越的物理性能：高禁带宽度(对应高击穿电场和高功率密度)、高电导率、高热导率，将是未来最被广泛使用的制作半导体芯片的基础材料。

碳化硅在半导体芯片中的主要形式为衬底。半导体芯片分为集成电路和分立器件，但不论是集成电路还是分立器件，其基本结构都可划分为“衬底-外延-器件” 结构。碳化硅在半导体中存在的主要形式是作为衬底材料。

全球有 30 多家公司已将 SiC 技术作为生产其功率器件的基础。此外，几家领先的功率模块和功率逆变器制造商已为其未来基于 SiC 的产品的路线图奠定了基础。碳化硅 (SiC)MOSFET 即将彻底取代硅功率开关;该行业需要能够应对不断变化的市场的新驱动和转换解决方案。

性能和可靠性

性能可以通过在 SiC 功率器件上运行 HTGB(高温栅极偏置)和 HTRB(高温反向偏置)应力测试来评估。Littelfuse 已在 175 °C 的温度下对 1200V、80mΩ SiC MOSFET 进行了压力测试，采用不同的 V GS值并对器件施加长达 1000 小时的压力。结果如图1所示。

尽管获得了优异的结果，HTGB+ 测试的持续时间(V GS =+25V，T=175°C)已延长至 5500 小时，而 HTGB- 测试的持续时间(V GS =-10V，T=175°C) ) 已延长至 2700 小时。即使在这些情况下，也观察到了最小偏差，证实了 SiC MOSFET 在这些条件下的性能和可靠性。

栅极氧化物是碳化硅 MOSFET 的关键元素，因此其可靠性极为重要。栅极氧化物可靠性的评估分为两部分。第一部分基于 TDDB(时间相关介质击穿)测试。根据施加在栅极氧化物上的电场(从 6 到 10 MV/cm)，器件寿命会发生显着变化。图 2 显示了在不同温度下进行的该测试的结果。在第二部分中，对常见的 1200V、18mΩ 硅 MOSFET 进行了加速栅极氧化物寿命测试。两个测试结果之间的密切一致性证实了 SiC MOSFET 是可靠的器件，在 T=175°C 和 V GS =25V下运行时，预计使用寿命超过 100 年。

短路鲁棒性

与碳化硅技术相关的另一个重要方面是短路稳健性。为了检查其碳化硅功率器件的短路稳健性，Littelfuse开发了自己的特定测试板。该电路如图 3 所示，包括一个 1200V 80mΩ SiC MOSFET (DUT)、一个仅为安全原因使用的 IGBT (Q1) 和三个电容器。结果如图 4 所示，取决于所施加的栅极电压(12V、15V、18V 或 20V)，短路耐受时间显着变化。

用最低的栅极电压 (12V) 获得最长的时间 (约 15µs)。此外，峰值电流强烈依赖于栅极电压，从 20V 栅极电压下的近 300A 降至 12V 栅极电压下的约 130A。即使碳化硅 MOSFET 的短路耐受时间比 IGTB 短，SiC 器件也可以通过集成到栅极驱动器 IC 中的去饱和功能得到保护。