硅(Si)在电子学领域的主导地位，很大程度上归功于其近乎完美的"原生氧化物"(SiO₂)。当硅在氧气环境中加热时，会形成一层二氧化硅——一种高质量的玻璃，它既是极其高效的绝缘体，又具有热稳定性和化学稳定性。这一特性对于隔离栅极和导电沟道而言是理想的。从电气角度看，该界面的纯净度确保了高电子迁移率，这对于实现快速、高效的开关至关重要。

碳化硅(SIC)在宽禁带(WBG)半导体中脱颖而出，是唯一能够像硅一样形成相同原生氧化物的材料。与缺乏稳定原生氧化物的氮化镓(GaN)不同，SiC可用于制造能在高压、高温等极端条件下工作的mosfet。

SiO₂/SiC界面的关键挑战

正如我们上一节所讨论的，硅的氧化过程可以说是"清洁"的。然而，SiC的氧化必然涉及碳，如下反应式所示：

虽然大部分碳旨在以二氧化碳(CO₂)的形式蒸发，但碳残留物常常留在边界处。这些碳簇在界面处形成，产生称为"近界面陷阱"(NITs)的电陷阱，导致载流子迁移率降低。

此外，氧空位——即界面附近SiO₂层内缺失的氧原子——在工作过程中会捕获和释放电子。这里的一个关键参数是界面态密度(Dit)，它代表了晶格缺陷的密度，这些缺陷会进一步限制电子迁移率并危及阈值稳定性。最后，我们还有"悬挂键"，其不完整的价电子壳层会中断载流子的流动。

电子设计人员必须持续应对这些微观缺陷如何导致功率转换器性能出现重大问题。

阈值电压(Vth)不稳定性

最主要的问题仍然是阈值电压的不稳定性，即偏压温度不稳定性(BTI)，这从根本上是由界面的电荷密度驱动的。我们可以通过以下关系式来表达阈值电压：

为了理解这个方程的影响，让我们逐一分析其各项。

ΦMS代表功函数差，即栅极金属(或多晶硅)与SiC半导体之间的势能差。从物理意义上讲，这构成了电子的势垒;虽然理想情况下为零，但在实际器件中它始终存在，并会改变基准阈值电压。

Cox表示氧化物电容，而Qit表示关键的界面陷阱电荷。最后一项ψB是体电势，代表半导体内部的静电势。该值衡量了费米能级偏离带隙中心的程度。简而言之，ψB是一个阈值：如果无法超过它，晶体管就无法导通，因为电子缺乏克服能隙并形成导电沟道所需的能量。

在栅极偏压应力和高温条件下，随着这些界面态捕获或释放电荷，阈值电压Vth会发生波动。如果Vth偏离其标称值太远，系统将面临两大风险：意外导通(功率应用中的关键安全故障)或整体效率的急剧下降。

反型层迁移率(µinv)

µinv是有效迁移率，由以下方程给出：

来自陷阱电荷的库仑散射(µCB)和表面粗糙度(µSR)的影响通常超过声子散射(µPH)，导致实际导通电阻RDS(on)始终高于理论模型的预测值。

最后，栅氧化层完整性(GOI)，或者说晶格失配，会产生局部电场增强。在高压应力下，晶体结构中的这些"薄弱点"可能导致介质的过早击穿。

钝化技术

业界已经超越了简单的热氧化。通过几种钝化技术来"修复"界面：

氮化(NO或NO₂)：引入氮来终止悬挂键。大幅降低Dit并提高迁移率。

磷掺杂：使用磷硅玻璃(PSG)钝化陷阱。可获得比氮更高的迁移率，但稳定性较低。

过渡金属覆盖层：使用薄层(例如氧化铝)来改善界面。增强栅极控制和可靠性。

晶面依赖性

对于致力于让电动汽车逆变器和可再生能源电网实现20年使用寿命的电力电子工程师来说，了解SiO₂/SiC界面是很有帮助的。随着我们朝着SiC沟槽MOSFET架构发展，晶格的取向变得更加关键，因为(4H-SiC的)不同晶面表现出不同的缺陷密度。

目标如下：通过完善晶体与玻璃之间的原子级过渡，达到SiC的理论极限。随着业界追求更高的功率密度，从平面型向沟槽型MOSFET的过渡已成为一个焦点。

在平面型MOSFET中，界面通常在4H-SiC晶圆的(0001)硅面上形成。该面以高界面态密度(Dit)著称，这严重限制了载流子迁移率。例如，意法半导体(STMicroelectronics)就采用了平面结构，并通过完善的氮化工艺实现了车规级的稳健性和可预测的Vth行为。

在沟槽型MOSFET中，沟道沿着沟槽的垂直侧壁形成。这些侧壁暴露出不同的晶面，例如(11-20)a面或(1-100)m面。与硅面相比，这些"横向"面天生具有更低的Dit和更高的反型层迁移率。这就是沟槽型器件能够实现更低得多的RDS(on)的原因。此外，对垂直沟槽进行均匀氧化比对平坦表面进行氧化要困难得多。沟槽侧壁上的任何微观粗糙度都会成为晶格位错和"电场聚集"的场所。

沟槽设计中最关键的缺陷相关挑战是沟槽角部的电场应力。事实上，由于沟槽底部的SiO₂/SiC界面承受着完整的漏源电压(VDS)，任何晶格缺陷或氧化物变薄都可能导致灾难性的介质击穿。半导体工程师使用"屏蔽"区(p型柱)来保护这些脆弱的界面，但在这些高应力区域，氧化物的可靠性仍然是认证测试中的重中之重。

英飞凌(Infineon)的CoolSiC方法采用了沟槽设计，以绕过低迁移率的硅面，转而选择对电子更"友好"的垂直晶面。

以上论点的总结见表1。

表1

任务关键型SiC

随着我们对电动汽车和可再生能源电网提出更高的效率及"任务关键型"可靠性要求，最小化和管理晶格缺陷的能力成为了显著的竞争优势。业界转向沟槽架构和先进钝化技术，正是规避这些缺陷带来的不利影响的一种方法。