隨著碳化硅（SiC）器件在高壓、高溫和高頻電力轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的逐步普及，其可靠性研究成為保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。作為SiC MOSFET核心結(jié)構(gòu)之一的柵極氧化層，其老化機(jī)制直接影響整個(gè)器件的電氣性能與壽命預(yù)期。因此，深入理解其老化過(guò)程，并構(gòu)建科學(xué)合理的評(píng)估體系，對(duì)實(shí)現(xiàn)器件可靠性管理具有重要價(jià)值。

一、柵極氧化層的老化機(jī)制剖析

SiC MOSFET通常采用熱氧化方式形成的二氧化硅（SiO?）作為柵氧材料。相比硅MOSFET，SiC器件在高電場(chǎng)與高溫環(huán)境下工作更為頻繁，因此其柵氧層在長(zhǎng)期應(yīng)力作用下易出現(xiàn)退化現(xiàn)象。柵氧層老化主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1. 缺陷積累機(jī)制：在高電場(chǎng)影響下，氧化層中原有缺陷會(huì)逐漸演化并擴(kuò)展，同時(shí)新的結(jié)構(gòu)缺陷不斷被激發(fā)，導(dǎo)致局部電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，加劇材料分解與遷移行為。

2. 電荷陷阱效應(yīng)：電荷被捕獲在氧化層界面或體內(nèi)的陷阱中，形成非均勻電勢(shì)分布。這類現(xiàn)象會(huì)在長(zhǎng)期運(yùn)行中影響閾值電壓的穩(wěn)定性，引發(fā)驅(qū)動(dòng)特性變化。

3. 載流子注入導(dǎo)致?lián)p傷：在反復(fù)開(kāi)關(guān)或高頻驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，載流子可能被注入至氧化層，造成電荷累積及缺陷結(jié)構(gòu)重新排列，加速材料的降解速率。

4. 熱激活擴(kuò)散影響：SiC在高溫工作下，柵氧與襯底之間可能產(chǎn)生一定程度的界面不穩(wěn)定，導(dǎo)致氧原子或雜質(zhì)離子遷移，改變氧化層的電場(chǎng)分布與絕緣能力。

5. 早期失效現(xiàn)象：由于制造工藝波動(dòng)或晶圓品質(zhì)差異，部分器件在老化初期便表現(xiàn)出明顯的柵氧電性能劣化，表現(xiàn)為擊穿提前、電流泄漏升高等現(xiàn)象。

二、評(píng)估SiC MOSFET柵氧老化的常用方法

為準(zhǔn)確判斷柵氧層的可靠性現(xiàn)狀和壽命預(yù)期，業(yè)內(nèi)廣泛采用一系列實(shí)驗(yàn)手段和數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估，其中尤以以下幾種方法較為典型：

1. TDDB（經(jīng)時(shí)介電擊穿）測(cè)試：此方法通過(guò)向柵氧層持續(xù)施加恒定電壓應(yīng)力，記錄其擊穿時(shí)間分布。該測(cè)試可模擬實(shí)際長(zhǎng)期工作應(yīng)力對(duì)氧化層造成的影響，是壽命預(yù)測(cè)與可靠性分析的重要依據(jù)。

2. C-V特性分析：通過(guò)測(cè)量柵極電容-電壓特性，可判斷氧化層厚度均勻性、界面狀態(tài)密度及電荷分布等參數(shù)，從而反映材料退化狀態(tài)。

3. 柵極漏電流監(jiān)測(cè)：在高溫與高壓環(huán)境下長(zhǎng)期記錄器件的IGSS值，若泄漏電流持續(xù)上升，往往表明氧化層絕緣性能下降，甚至可能存在微裂紋或?qū)щ娡ǖ郎伞?/p>

4. 加速壽命建模：結(jié)合TDDB實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用E模型、1/E模型或冪律模型對(duì)器件在不同工作電壓下的壽命進(jìn)行外推，提供設(shè)計(jì)層面的可靠性邊界。

5. Weibull統(tǒng)計(jì)分布擬合：對(duì)擊穿時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)建模，可進(jìn)一步分析器件失效行為是否呈現(xiàn)批量一致性或早期失效趨勢(shì)，對(duì)器件工藝評(píng)估極具參考價(jià)值。

三、實(shí)際案例解析與行業(yè)經(jīng)驗(yàn)

在某次針對(duì)1200V級(jí)別SiC MOSFET的批次評(píng)估中，研究人員對(duì)30顆樣品在150°C、20V柵極應(yīng)力條件下進(jìn)行了TDDB測(cè)試。結(jié)果顯示，大多數(shù)器件在500小時(shí)以上仍維持正常漏電水平，而少數(shù)樣品在200小時(shí)內(nèi)即出現(xiàn)IGSS上升，最終確認(rèn)其制造中柵氧厚度存在微小波動(dòng)。

進(jìn)一步將失效數(shù)據(jù)進(jìn)行Weibull擬合后發(fā)現(xiàn)，形狀因子β為4.2，說(shuō)明整體產(chǎn)品具有較強(qiáng)的一致性與可預(yù)期壽命分布。但為保險(xiǎn)起見(jiàn)，工程團(tuán)隊(duì)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇了低于最大耐壓70%的工作柵壓，以提升器件長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行能力。

總結(jié)

隨著車載、工業(yè)和新能源領(lǐng)域?qū)iC MOSFET性能的要求不斷提升，其柵氧可靠性的研究也逐步從基礎(chǔ)理論向應(yīng)用優(yōu)化過(guò)渡。未來(lái)的發(fā)展方向不僅包括更耐壓的氧化層工藝，也將重點(diǎn)探索動(dòng)態(tài)負(fù)載、多場(chǎng)耦合下的退化行為。通過(guò)持續(xù)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)、制造工藝與可靠性驗(yàn)證體系，SiC MOSFET將在更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性與性能優(yōu)勢(shì)。