沟槽栅SiC MOSFET虽然能显著降低导通电阻、提升功率密度,但其栅氧化层在沟槽底部拐角处天生脆弱,在车规级高温、高压、高频开关工况下,这一结构短板可能引发阈值电压漂移、栅极漏电甚至器件失效,是功率器件车规应用中不可忽视的可靠性风险点。

技术机理:沟槽结构为何让栅氧化层“变脆”

碳化硅MOSFET的设计正从平面栅(Planner)向沟槽栅(Trench)演进,沟槽结构能有效降低导通电阻(RonA),提升电流密度。但代价在于,沟槽底部拐角处的电场集中效应会使栅氧化层承受更高应力,这层氧化层在结构上变得脆弱。官方资料明确指出,沟槽型SiC MOSFET的缺点就在于可靠性,因为结构设计会让氧化层变得很脆弱,能否达到车规要求,还得看工艺的进步

车规工况下的失效风险与行业验证

车规应用对功率器件要求极为苛刻:高温、高压、高频开关的持续冲击会放大栅氧化层的脆弱性。特斯拉曾因“后电机逆变器功率半导体元件异常”召回一批Model 3,业界有观点认为这很可能与碳化硅器件有关——有基金经理推测可能是衬底一致性问题导致特定参数漂移,进而引发单管一致性差异。虽然无法证实召回是否确为碳化硅问题,但这一事件一定程度上显示出碳化硅产品还不够稳定,需要更多可靠性试验

值得注意的是,不同厂商对沟槽结构的可靠性处理存在差异。有厂商声称其结构设计不同且已做大量可靠性测试,但官方资料提示:该厂商在IGBT领域是王者,在碳化硅领域却是后来者,加上碳化硅封装难度远大于IGBT,最终仍须参考车厂的实车验证结果

常见问题

沟槽栅SiC MOSFET相比平面栅有哪些优劣?

沟槽栅的主要优势是导通电阻更低(官方数据显示1200V规格下,沟槽型RonA为4.1mΩ·cm²,平面型为8.2mΩ·cm²),能提升效率。但劣势在于沟槽底部拐角处的栅氧化层更脆弱,可靠性验证难度更大,车规级应用需要更严苛的工艺控制和测试

车规应用对SiC MOSFET可靠性有哪些具体要求?

车规要求器件在高温、高压、高频开关等严苛工况下保持长期稳定。对沟槽栅SiC MOSFET而言,栅氧化层的长期可靠性是关键考核项,需要通过大量可靠性试验验证,最终以车厂的实际验证结果为准。

沟槽栅SiC MOSFET在车规领域会大规模普及吗?

行业趋势确实是从平面栅向沟槽栅演进,参照IGBT的历史,沟槽型被认为是终极目标。但受限于可靠性验证周期和工艺成熟度,目前部分主流厂商仍以平面型产品为主,沟槽型产品的车规大规模应用仍需时间。

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