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

一、SiC MOSFET柵氧老化機制概述

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。這些殘留的碳相關缺陷在高場高溫條件下會加速電子捕獲，導致閾值電壓漂移、柵漏電流上升，嚴重時甚至引發穿通擊穿。

此外，在高壓環境中，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，從而觸發電荷注入效應，引發氧化層中陷阱態的不可逆變化。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誘發失效。

二、典型加速測試方法分析

為了在實驗室環境中快速評估柵氧老化趨勢與壽命，研究人員發展出多種加速測試方法。其中，高溫柵極偏置試驗（HTGB）是最常用的柵氧評估手段之一。通過在150°C以上的環境中，對MOSFET柵極施加正向偏壓，持續數百小時，監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行時的柵氧劣化行為。

另一個重要手段是反偏狀態下的電熱耦合應力試驗。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。其優點在于更貼近實際應用中的擊穿模式，可有效揭示器件在系統中可能遭遇的電場失效隱患。

三、實驗研究與器件行為分析

針對不同JFET結構設計的高壓SiC MOSFET樣品，通過HTGB及反偏柵應力雙重測試發現，JFET區寬度越大，其柵氧所受橫向電場越強，出現閾值電壓漂移與柵漏電上升的概率也更高。仿真進一步驗證了這一結論，在同等工作電壓下，寬JFET結構下的柵氧區域電位顯著高于窄結構，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應力退化或缺陷導通通道。

四、老化行為與設計改進建議

從長期運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、電場集中特性及結構熱分布不均所導致。因此，在產品設計中應優化JFET區域寬度，平衡電場梯度；柵氧工藝方面，可引入氮氧化技術（NO anneal）以改善界面質量，降低陷阱態密度；同時引入電場鈍化結構，如浮柵或源極保護帶結構，也有助于提升柵氧抗老化能力。

總結

隨著高壓SiC MOSFET在軌道交通、電力系統、新能源裝備中的深入應用，其柵氧化層的可靠性表現愈發關鍵。通過高溫偏置與反偏電熱應力等加速測試方法，不僅能揭示器件潛在的失效模式，也為后續產品工藝優化和結構設計提供了重要依據。未來，結合仿真分析與物理建模，將進一步推動SiC功率器件在高可靠性場景中的實用化發展。