下一代高壓SiC MOSFET的可靠性和穩(wěn)健性測(cè)試

在當(dāng)今這一代，電力電子設(shè)備幾乎在從交流適配器到傳輸系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用。這些器件包含硅 (Si) 作為低壓和高壓器件的主要元素。然而，隨著半導(dǎo)體行業(yè)的最新進(jìn)展，碳化硅 (SiC) 已被證明是硅基 MOSFET 的繼任者，因?yàn)樗哂懈唠妷鹤钄嗪透唛_關(guān)頻率等寬禁帶特性。

對(duì)于功率器件，可靠性和穩(wěn)健性是高壓應(yīng)用需要考慮的關(guān)鍵因素。因此，對(duì)于SiC MOSFET，在廣泛用于高壓應(yīng)用之前，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)难芯亢驮u(píng)估。

電壓 (Vth) 不穩(wěn)定性

電壓不穩(wěn)定是由于電子電路的電力系統(tǒng)未能維持所有母線的電壓水平，進(jìn)而導(dǎo)致無功功率供需失衡

A. 溫度不穩(wěn)定性：在不同電壓等級(jí)的器件中，SiC MOSFET 的閾值電壓溫度升高范圍從室溫到 300°C，如圖 1 所示。

圖 1：正負(fù)溫度變化的實(shí)驗(yàn) Vth

正如觀察到的，具有標(biāo)準(zhǔn) N2O 氧化的系統(tǒng)顯示負(fù) ΔVth，而用硼處理的 MOSFET 顯示正 ΔVth，因?yàn)殚撝档钠婆c SiO2/SiC 界面的電荷相關(guān)。在這種情況下可能會(huì)發(fā)生兩種可能性——導(dǎo)致電路導(dǎo)通電阻增加的正溫度 Vth 系數(shù)和導(dǎo)致正常開啟操作的負(fù)溫度 Vth 系數(shù)，從而增加柵極驅(qū)動(dòng)器的復(fù)雜性。

B. 偏置應(yīng)力不穩(wěn)定性：偏置應(yīng)力不穩(wěn)定性與 SiO2/Si 界面中存在的陷阱、電荷和缺陷有關(guān)，這些缺陷會(huì)導(dǎo)致 Vth 的差異。圖 2 顯示了專為 WBG 器件設(shè)計(jì)的柵極應(yīng)力模式，其應(yīng)力時(shí)間為 3 小時(shí)。這些測(cè)試是通過在 -5V 和 +25V 之間循環(huán) MOSFET 柵極來完成的。

圖 2：偏置應(yīng)力不穩(wěn)定性應(yīng)力模式

如圖所示，當(dāng)漏極電壓為 VDS = 0.1V 時(shí)，給出的最大正偏置應(yīng)力為 +25V。Vth 值是從在從負(fù)偏壓和正偏壓轉(zhuǎn)換期間測(cè)量的 IDS(VGS) 引腳獲得的。

測(cè)試 SiC MOSFET 的可靠性

為了分析 SiC MOSFET 的穩(wěn)健性，進(jìn)行了各種可靠性測(cè)試。針對(duì) SiC MOSFET 的各個(gè)關(guān)鍵區(qū)域考慮了設(shè)計(jì)和技術(shù)的可靠性。

圖 3：BSI 測(cè)試結(jié)果

圖 3a 顯示了 BSI 應(yīng)力測(cè)試在 150°C 下對(duì) 4.5 kV 額定 25 mm2 閾值電壓的結(jié)果，沒有硼處理，圖 3b 顯示了硼處理的結(jié)果

短路：如圖 4 所示，短路行為已在電路處于阻塞模式 (VGS = -5V)、總線電壓設(shè)置為 55%、柵極脈沖為 25V 時(shí)進(jìn)行了分析。

圖 4：短路測(cè)試

額定電壓為 3.3kV 的 MOSFET 在室溫下的波形如下圖所示。

圖 5：3.3kV 額定 MOSFET 的短路波形

短路故障的主要原因是輸出能量施加的高內(nèi)部溫度升高。為了避免這個(gè)問題，使用較大的單元間距是有益的，因?yàn)樗哂休^低的通道密度和較大的散熱面積。

功率循環(huán)：進(jìn)行功率循環(huán)測(cè)試以進(jìn)一步檢查 SiC MOSFET 的穩(wěn)健性，其中 10 萬次 10ms 半正弦波循環(huán)施加到漏極。功率循環(huán)是根據(jù) MOSFET 的自愈特性進(jìn)行的，并且在大量恒流脈沖后耗散能量的演變中會(huì)吸收變化。針對(duì)柵極偏壓的變化考慮了兩種靜止方案，以檢查器件單位單元的受影響區(qū)域。

圖 6：電源循環(huán)測(cè)試

高溫高壓開關(guān)：使用雙脈沖測(cè)試 (DPT) 開關(guān)電路，使用另一部分的內(nèi)置體二極管測(cè)試 MOSFET 的動(dòng)態(tài)性能，如圖 7 所示。

圖 7：DPT 開關(guān)電路

觀察到制造的器件能夠在具有顯著大過沖的高總線電壓下切換。圖 9 顯示了使用 RG 評(píng)估的開啟和關(guān)閉特性。

圖 8 額定電壓為 3.3 kV 的 SiC MOSFET 的開關(guān)波形

雙極退化：平面 MOSFET 具有電流反向傳導(dǎo)的特性，允許負(fù)漏極電壓的電流流動(dòng)。有一個(gè)內(nèi)置的pin二極管，由p和n層組成，在應(yīng)用過程中可以反并聯(lián)導(dǎo)通。圖 9 顯示了 4.5kV MOSFET 的 IDS(VDS) 特性。觀察到接近 SiC PN 內(nèi)置電位的身體的膝點(diǎn)電壓，同時(shí)觀察到溫度升高期間的電壓變化。

圖 9：IDS(VDS) 特性

這些情況通常不會(huì)出現(xiàn)在純 PiN 二極管中，也無法通過仿真重現(xiàn)。在多個(gè) 25mm2 3.3 kV MOSFET 的 PiN 二極管上進(jìn)行進(jìn)一步雙極退化測(cè)試，以檢查測(cè)試樣品的可能退化。在這里，柵極偏壓設(shè)置為 -6V，以確保電流僅流過 PiN。對(duì)于這個(gè)測(cè)試，20A·cm-2 的源電流密度持續(xù) 10 小時(shí)，同時(shí)監(jiān)測(cè) Vf。

圖 10:10 h 20 A·cm-2 雙極衰減測(cè)試

結(jié)果表明，兩個(gè)測(cè)試器件的體二極管和正向壓降 VF 均有所增加。器件 1 中的正向電壓漂移也可以忽略不計(jì)，僅為 40 mV，而器件 2 的漂移更高，ΔVF=370 mV。這種電壓漂移是不可逆的，它顯示了由于存在堆垛層錯(cuò)而導(dǎo)致的 PiN 雙極退化，這對(duì) MOSFET 性能沒有任何明顯影響。

結(jié)論

MOSFET 在高壓應(yīng)用中的穩(wěn)健性至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈冊(cè)诟鞣N電力電子設(shè)備中發(fā)揮著重要作用。MOSFET 在用于任何設(shè)備或系統(tǒng)之前必須通過各種測(cè)試。Vth 漂移通過針對(duì) WBG 設(shè)備的特定測(cè)試進(jìn)行了測(cè)試。在澆口部分的存在對(duì)高于 100°C 的閾值穩(wěn)定性有負(fù)面影響。在閾值偏移期間沒有永久性損壞，并且在壓力測(cè)試后 Vth 完全恢復(fù)。

最佳的單元電池設(shè)計(jì)將是短路時(shí)間和輸出電流之間的最佳解決方案。還進(jìn)行了 100 萬次不影響輸出性能的功率循環(huán)測(cè)試。制造的器件可以在高溫下在高總線電壓下切換，但在某些條件下存在顯著的閾值漂移，導(dǎo)致其電氣特性的退化，這是由它們的傳輸特性的變化引起的。這個(gè)問題后來歸因于在導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)下柵極下方的內(nèi)部自熱的組合。這可以通過增加質(zhì)量和散熱片來改善，也可以通過在 MOSFET 中使用導(dǎo)熱油脂來降低熱阻，以獲得更好的散熱片。

上述結(jié)果提供了相當(dāng)好的魯棒性，因此有必要探索替代柵極堆疊形成以獲得高性能和可靠的 SiC MOSFET。

　　審核編輯：湯梓紅