SiC（炭化ケイ素）パワーデバイスにおける信頼性課題

SiC（炭化ケイ素）パワーデバイスにおいて、バイポーラ劣化（積層欠陥の拡張）以外に最も重要視される信頼性課題は、**「ゲート絶縁膜（酸化膜）の劣化」と「宇宙線による偶発故障」**の2点です。

特にSiC MOSFETは、材料特有の性質からシリコン（Si）とは異なる劣化挙動を示します。

1. ゲート絶縁膜の信頼性（MOSFET固有）

SiC MOSFETでは、SiC結晶の上に二酸化ケイ素（ $SiO_{2}$ ）を形成しますが、この界面に欠陥が生じやすく、それが動作の安定性を損ないます。

しきい値電圧シフト（BTI: Bias Temperature Instability）:
- ゲートに電圧をかけ続けると、界面付近の欠陥に電荷がトラップされ、しきい値電圧（ $V_{th}$ ）がじわじわと変化します。
- PBTI（正バイアス）: ゲートにプラスをかけ続けると$V_{th}$が上昇し、オン抵抗が増大します。
- NBTI（負バイアス）: ゲートにマイナスをかけ続けると$V_{th}$が低下し、意図しないタイミングでスイッチが入るリスクが生じます。
経時絶縁破壊（TDDB: Time Dependent Dielectric Breakdown）:
- 長時間の電界ストレスにより、酸化膜内に徐々にダメージが蓄積し、最終的に絶縁膜が突き抜けて故障する現象です。
- SiCはSiよりも絶縁膜にかかる電界強度が強くなりやすいため、より厳格な設計が求められます。

2. 宇宙線による偶発故障（SEB / SEGR）

地上にも降り注いでいる中性子などの宇宙線がSiC結晶内の原子と衝突し、デバイスを一瞬で破壊する現象です。

SEB（シングルイベントバーンアウト）:
- 宇宙線が衝突した際に発生した大量の電荷が、寄生バイポーラトランジスタをオンさせてしまい、大電流が流れて焼き切れる現象です。
SEGR（シングルイベントゲート破断）:
- 衝突時のエネルギーにより、ゲート酸化膜が直接破壊される現象です。
特徴: これは「摩耗」ではなく、ある確率で突然起こる「偶発故障」です。特に高電圧で使用するほど発生確率が指数関数的に高まるため、定格電圧に対して余裕（ディレーティング）を持たせた運用が不可欠です。

3. その他の劣化要因

劣化の種類	現象と影響
ドレイン誘起障壁低下 (DIBL)	微細化に伴い、ドレイン電圧の影響で意図せずチャンネルが開いてしまう。
ヒートサイクル劣化	パッケージ（はんだ接合部やワイヤボンディング）が、熱膨張の繰り返しで剥離する。
ホットキャリア注入	高速スイッチング時に加速された電子が酸化膜に飛び込み、特性を変える。

出典：Google Gemini

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