理想汽车自研SiC团队成果：提高SiC MOSFET可靠性的方式

 
电子发烧友网报道（文/梁浩斌）SiC在电动汽车上的大规模应用，到目前为止已经经历8年时间，行业已经称得上成熟。但作为一种半导体功率器件，由于SiC衬底材料本身存在的缺陷导致器件一致性可能存在差异，以及SiC MOSFET栅极氧化层可靠性受到工艺的影响，在功率模块中可能出现单个芯片击穿导致故障。
 
比如早期在2019—2022年，特斯拉曾大规模召回过Model 3，对于召回原因的描述是：本次召回范围内车辆的后电机逆变器功率半导体元件可能存在微小的制造差异，其中部分车辆使用一段时间后元件制造差异可能会导致后逆变器发生故障，造成逆变器不能正常控制电流。此故障发生在车辆处于停车状态时，会导致车辆无法启动；此故障发生在车辆行驶状态时，会导致车辆失去行驶动力，极端情况下可能增加车辆发生碰撞的风险，存在安全隐患。
 
当然，目前随着检测技术的成熟，海外大厂车规SiC器件失效概率已经非常低了。而国产SiC未来大规模上车，也将面临同样的问题，需要尽可能降低器件失效的风险。
 
最近理想自研SiC芯片团队在第37届ISPSD（功率半导体器件和集成电路国际会议） 会议上发表了题为《Analysis on BVDSS Outlier Chips and Screening Technology for 1.2 kV Automotive SiC MOSFETs》（1200V汽车级碳化硅MOSFET芯片击穿电压离群芯片的分析与筛选技术研究）的论文，通过结合实验分析和数值模拟，系统地研究1.2 kV SiC MOSFET中 BV_DSS 异常芯片的失效机制。
 
理想SiC芯片团队表示，由于电动汽车对可靠性的严格要求，SiC MOSFET 的栅氧化层可靠性及其鲁棒性已被广泛研究。然而，关于击穿电压异常芯片的讨论相对较少，排除那些由外延或工艺波动引起的异常芯片。在开发我们的SiC牵引逆变器过程中，BV_DSS异常芯片在商用SiC MOSFET产品中经常被发现。
 
他们发现器件失效与外延层中的坑缺陷之间存在强相关性。当坑位于P区时，可以观察到植入区域的显著变形。在变形P区的角落处，局部电场增强，最终导致提前雪崩击穿。实施了一种筛选技术，超过96%的不合格芯片具有非致命材料缺陷，其中坑缺陷占最高比例。筛选后，HTRB烧入失效率从1,700个功率模块下降了近一个数量级。此外，还研究了这些坑的结构，期望通过外延表面平坦化从根本上提高SiC MOSFET的良率。
 
简单来说，就是理想汽车通过自研SiC过程中收集到的测试数据，通过一种技术能够高效筛选出异常芯片，降低了实际应用中的芯片失效率，提高SiC MOSFET可靠性。这些研究也意味着，国产SiC MOSFET正在积极推动大规模上车的进程。