核心摘要

碳化硅(SiC)作为第三代半导体的核心材料，正在电动汽车(EV)、可再生能源和工业应用领域引发一场深刻的革命。其卓越的高电压、高频率和高温性能，使得功率电子系统能够实现前所未有的效率和功率密度。然而，在释放SiC巨大潜力的同时，我们必须正视其核心技术挑战——栅极氧化层(Gate Oxide, GOX)的可靠性。对于寻求长期投资回报和稳定产品供应的投资者与客户而言，理解这一风险至关重要。

派恩杰本报告旨在深入浅出地分析SiC MOSFET中的栅氧可靠性问题，重点对比两种主流技术路线——平面栅(Planar Gate)和沟槽栅(Trench Gate)，并揭示当前电动汽车市场的技术选择格局。

核心观点：

栅氧是SiC MOSFET的“阿喀琉斯之踵”

SiC材料与工艺的固有特性，使其栅氧化层的缺陷密度远高于传统硅(Si)器件，导致其在长期高电场下更容易发生击穿，这是决定器件寿命和可靠性的关键瓶颈。

平面栅 vs 沟槽栅：性能与可靠性的权衡

• 平面栅技术以其结构简单、工艺成熟和出色的可靠性著称。尽管其理论性能（如导通电阻）稍逊，但其稳健性使其成为高可靠性应用的首选。

• 沟槽栅技术通过创新的垂直结构，实现了更低的导通电阻和更高的功率密度，性能优势显著。然而，其复杂的工艺和难以克服的沟槽边角电场集中问题，给栅氧化层的长期可靠性带来了严峻挑战。

高温下性能趋同——沟槽栅的“实验优势”难以兑现

沟槽栅厂商常用常温(25°C)下的沟道迁移率和导通电阻数据来展示其性能优势。但功率器件在实际应用中始终工作在高结温(150°C-175°C)下。学术研究表明，在高温下，沟道迁移率和导通电阻的差距会显著缩小，使得沟槽栅的"高功率密度"优势在实际测试和客户应用中难以被感知。

市场选择：可靠性优先

在对安全性要求最为严苛的电动汽车主逆变器市场，我们观察到一个明确的趋势。全球领先的电动汽车制造商，如特斯拉(Tesla)和比亚迪(BYD)，均在其核心车型中选择了平面栅结构的SiC MOSFET。这一选择清晰地表明，在当前阶段，行业领导者将长期可靠性置于理论性能之上。

结论: 在实际高温工况下，沟槽栅与平面栅的性能表现相差无几，但平面栅提供了无与伦比的可靠性保障。对于投资者而言，这意味着拥有成熟、可靠的平面栅SiC技术的公司，在当前及未来几年的电动汽车市场中拥有更强的竞争优势和更低的技术风险。对于客户而言，选择采用平面栅器件的解决方案，意味着选择了更安全、更长久的产品生命周期。

一、碳化硅(SiC)简介：为何是未来趋势？

功率半导体是控制和转换电能的核心。长久以来，硅(Si)基功率器件（如IGBT和MOSFET）主导着市场。然而，随着对能源效率和功率密度要求的不断提升，硅的物理性能已接近其理论极限。

碳化硅(SiC)的出现打破了这一瓶颈。作为一种宽禁带半导体材料，SiC拥有三大核心优势：

更高的击穿电场强度

能够承受比硅高近10倍的电压，使得器件可以做得更薄、更小，导通电阻显著降低。

更高的热导率

散热能力更强，系统可以工作在更高温度下，并简化冷却系统设计。

更宽的带隙

漏电流极低，开关损耗更小，显著提升系统转换效率。

在电动汽车领域，这些优势转化为更长的续航里程、更快的充电速度以及更轻、更紧凑的电驱系统。因此，SiC被公认为下一代电动汽车技术竞赛的关键赛点。

二、核心挑战：栅极氧化层(GOX)的可靠性

在SiC MOSFET中，栅极氧化层是一层极薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，它控制着电流的通断，是器件的心脏。然而，这层在硅器件中极为可靠的结构，在SiC上却面临着前所未有的挑战。

根本原因：为何SiC栅氧更脆弱？

根据英飞凌(Infineon)等行业领导者的研究，SiC栅氧的可靠性问题主要源于三大物理特性：

更高的缺陷密度

SiC晶体生长和高温氧化工艺的复杂性，导致在SiC与SiO2的界面处形成比硅高出数个数量级的缺陷。这些缺陷如同氧化层中的"微孔"，会极大地增加早期失效的风险。

更高的工作电场:

SiC的高击穿电压特性，使其内部工作电场强度远高于硅器件。这使得栅氧化层长期承受着巨大的电应力，加速了老化和击穿进程。

更低的隧穿势垒

SiC更宽的带隙反而降低了电子从SiC隧穿进入氧化层的能量壁垒。这意味着在相同电场下，SiC的栅氧泄漏电流更大，长期来看会损害氧化层。

这些因素共同导致了SiC MOSFET的两种主要可靠性问题：

• 时间相关介电击穿 (TDDB): 栅氧化层在持续的电场和温度压力下，会逐渐劣化并最终形成导电通道，导致器件永久性短路失效。这是决定器件寿命的"硬杀手"。

• 偏压温度不稳定性 (BTI): 界面缺陷会捕获和释放电子，导致器件的关键参数——阈值电压(VTH)发生漂移。这会影响器件的开关行为，严重时可能导致系统误动作。

由于这些早期失效主要由随机分布的"外部缺陷"引起，无法通过改进材料的"本征"特性来完全消除。因此，如何筛选出这些有潜在缺陷的器件，并从设计上降低栅氧所承受的压力，成为SiC技术竞争的焦点。

三、两大技术路线对决：平面栅 vs. 沟槽栅

为了在提升性能的同时应对栅氧可靠性挑战，业界发展出两种主流的MOSFET结构：平面栅和沟槽栅。这两种结构在性能和可靠性之间做出了截然不同的取舍。

01 平面栅技术 (Planar Gate)

平面栅是最早商业化的SiC MOSFET结构，其电流沟道在芯片表面水平形成，其设计思想继承自成熟的硅MOSFET工艺。

优势

• 高可靠性与稳健性: 电场分布均匀，没有尖锐的结构，避免了电场集中问题，这使得其栅氧化层所受应力较小，长期可靠性记录优异。

• 工艺简单成熟: 制造流程相对简单，易于控制，良率更高，成本也更具优势。

劣势

• 常温性能指标稍低: 由于水平沟道限制了单元密度，其常温下的导通电阻(RDS(on))相对较高。

02 沟槽栅技术 (Trench Gate)

为了克服平面栅的性能瓶颈，沟槽栅技术被开发出来。它通过在芯片表面蚀刻垂直的沟槽，使电流沟道沿沟槽侧壁垂直流动。

优势

• 常温性能指标出色：垂直结构极大地提高了单元密度，使得沟槽栅MOSFET在常温(25°C)下的导通电阻显著低于平面栅。

劣势

• 致命的可靠性风险：其核心问题在于沟槽底部的尖角处会产生严重的电场集中。这个尖角处的电场强度会数倍于芯片其他区域，像一把尖刀持续刺向最脆弱的栅氧化层，极大地增加了TDDB风险，对器件的长期可靠性构成严重威胁。

• 工艺复杂且昂贵：沟槽的精确蚀刻和氧化物填充等工艺非常复杂，导致制造成本高昂，良率控制难度大。

03 深入分析：为何高温下性能趋同？

这是一个非常关键且常被忽视的技术细节。沟槽栅在数据表上常温(25°C)下的性能优势，在实际工作温度（通常为150°C-175°C）下会大幅缩水，甚至与平面栅趋于一致。

这一现象使得客户在实际应用中很难感知到沟槽栅所谓的"高功率密度"优势。其背后的物理机制如下：

沟道迁移率的温度依赖性

SiC MOSFET的总导通电阻(RDS(on))由多个部分组成，其中沟道电阻(Rch)和漂移区电阻(Rdrift)是主要部分。沟槽栅通过增加沟道密度来降低总电阻，因此其性能对沟道电阻的变化更为敏感。然而，沟道中电子的迁移率会随着温度升高而显著下降（主要受声子散射影响）。这意味着，随着结温从25°C升高到175°C，沟道电阻会急剧增加，从而抵消了沟槽结构在常温下的优势。

导通电阻温度系数（TCR）的差异

学术研究和工业界数据均表明，尽管所有SiC MOSFET的导通电阻都会随温度升高而增加，但传统沟槽栅器件的RDS(on)增长速度通常快于平面栅器件。橡树岭国家实验室(ORNL)的一项研究对比了1200V的沟槽栅和平面栅MOSFET，数据显示：

温度	沟槽栅 vs 平面栅 RDS(on) 对比
25°C (常温)	沟槽栅比平面栅低约 33%
175°C (高温)	沟槽栅比平面栅仅低约 10%

这意味着，在逆变器满载运行的真实工况下，两种结构带来的实际能效差异微乎其微。

关键结论

客户和投资者在评估SiC技术时，绝不能仅仅依赖数据手册上的常温参数。沟槽栅在常温下的"性能光环"很大程度上是一种"实验室优势"，在真实、严酷的汽车运行环境中会迅速褪色。当性能优势不再显著时，其固有的可靠性风险就成为了一个更需要被关注的短板。因此，一个更强有力的结论是：在实际高温工况下，沟槽栅与平面栅的性能表现相差无几，但平面栅提供了无与伦比的可靠性保障。

04 对比总结

下表清晰地总结了两种技术的关键差异：

特性

平面栅 (Planar Gate)

沟槽栅 (Trench Gate)

核心优势

高可靠性、稳健、工艺成熟

常温下低导通电阻

核心劣势

常温性能指标稍低

沟槽角电场集中，栅氧可靠性风险高

常温(25°C)性能