對(duì)SiC MOSFET進(jìn)行柵極應(yīng)力測(cè)試

了解半導(dǎo)體器件的故障模式是創(chuàng)建篩選、鑒定和可靠性測(cè)試的關(guān)鍵，這些測(cè)試可以確保器件在數(shù)據(jù)表規(guī)定的范圍內(nèi)運(yùn)行，并滿足汽車和其他電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中要求的越來越嚴(yán)格的十億分之一故障率。在本文中，我們將討論對(duì)碳化硅 MOSFET 器件執(zhí)行的柵極開關(guān)應(yīng)力 (GSS) 測(cè)試。

SiC MOSFET 中的直流與交流柵極應(yīng)力效應(yīng)

多年來，SiC MOSFET 的柵極氧化物可靠性一直是研究的重點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，氧化物/SiC 界面會(huì)導(dǎo)致關(guān)鍵器件參數(shù)發(fā)生巨大變化，例如閾值電壓 (V th )、導(dǎo)通電阻 (R DS(on) ) 和早期壽命故障。柵極氧化物工藝的改進(jìn)(包括氮化)顯著提高了柵極氧化物在標(biāo)準(zhǔn)可靠性和鑒定測(cè)試下的固有可靠性。這些測(cè)試來自硅器件測(cè)試，包括：

· 時(shí)間相關(guān)的介電擊穿測(cè)試，通常在加速條件下對(duì)處于恒定應(yīng)力下的電容器進(jìn)行，以得出額定條件下時(shí)間曲線中的故障

· 高溫柵極偏置鑒定，在封裝器件上進(jìn)行，在最大柵極和溫度規(guī)格下具有恒定柵極偏置，漏源電壓 (V DS ) 為 0 V

· 在恒定偏置下進(jìn)行的偏置溫度不穩(wěn)定性 (BTI) 可靠性測(cè)試

在直流偏置條件下，SiC MOSFET 中的V th漂移通常大于硅 MOSFET 中的 V th 漂移。此外，許多努力都旨在測(cè)試器件通常切換的特定應(yīng)用條件下的這種偏移。這些開關(guān)瞬變可能導(dǎo)致柵極源電壓 (V GS ) 的過沖/下沖，這可能取決于幾個(gè)因素，例如開啟和關(guān)閉轉(zhuǎn)換速率、內(nèi)部器件電容以及可能設(shè)計(jì)的外部組件(例如柵極電阻)或寄生參數(shù)(例如鍵合線電感)。已經(jīng)提出了 GSS 測(cè)試，其中柵極在器件的最大指定溫度下經(jīng)歷重復(fù)的開關(guān)循環(huán)，V DS為 0 V。

對(duì)GSS行為的研究表明：

· 交流循環(huán)引起的 V th漂移取決于開關(guān)周期數(shù)(N周期)，可表示為 ? V th = A o × N周期n，其中指數(shù)n是變化的。

· 當(dāng)循環(huán)次數(shù)低于約 10 7 N時(shí)，性能退化遵循常數(shù)n ≈ 0.16，這通常在 DC-BTI 應(yīng)力下表現(xiàn)出來。

· 超過 10 8 N循環(huán)后，n增加至 ≈ 0.32，這是直流應(yīng)力下未見的行為。圖 1 顯示了此變化的表示。

圖 1：GSS 測(cè)試下 SiC MOSFET 中的 V th偏移

· 應(yīng)力時(shí)間長(zhǎng)于 ≈ 1e11 N個(gè)周期顯示出飽和的較低偏移率，其中n ≈ 0.1。

· Vth位移強(qiáng)烈依賴于最大和最小的VGS開關(guān)水平，越來越負(fù)的VGS_low值顯示出更強(qiáng)的位移。通常建議使用負(fù)的VGS來關(guān)閉碳化硅MOSFETs，特別是在硬開關(guān)條件下，以減少M(fèi)iller電容耦合導(dǎo)致的誤通的風(fēng)險(xiǎn)，并最小化開關(guān)損耗。

· 與DC-BTI應(yīng)力不同，來自GSS的第五次轉(zhuǎn)移在很大程度上是不可恢復(fù)的。

從測(cè)量角度來看，高頻測(cè)試可確保在合理的時(shí)間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)足夠多的循環(huán)次數(shù)，同時(shí)仍能觀察到 GSS 偏移。例如，500 kHz 開關(guān)可在 1,000 小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)超過 1e12 個(gè)循環(huán)。在某些應(yīng)用中，例如太陽能逆變器，這可能不足以模擬預(yù)期的 20 年使用壽命，但隨后可以合理地使用推斷。一旦將零件從應(yīng)力爐中卸下，非恢復(fù)特性也使執(zhí)行原位 V th測(cè)量變得更加容易。

GSS 與 ASS 的比較

出現(xiàn)的一個(gè)重要問題是 GSS 測(cè)試是否準(zhǔn)確反映了應(yīng)用切換應(yīng)力 (ASS) 下的壓力。Gómez 等人嘗試使用圖 2 中所示的測(cè)試設(shè)置來回答這個(gè)問題。ASS 配置為升壓轉(zhuǎn)換器，但其他類似設(shè)置可用于規(guī)范其他測(cè)試條件，尤其是柵極驅(qū)動(dòng)。

圖 2：GSS(左)和 ASS(右)的測(cè)試設(shè)置

所用器件為額定電壓為 1,200 V 的 SiC MOSFET。測(cè)試所用的一些條件如下：

· 開關(guān)頻率 = 100 kHz

· V GS_high = 18V，V GS_low = –8V

· 柵極電阻(R G) = 4.7 Ω

· 對(duì)于 ASS，V cc = 400 V，負(fù)載電流 (i L ) 為 1.2 A，?i L (峰峰值) 為 1.6 A

定期進(jìn)行非原位 V th測(cè)量。圖 3 顯示了每種情況下觀察到的偏移結(jié)果。

圖 3：GSS 和 ASS 應(yīng)力引起的 V th偏移

受到 ASS 影響的 DUT 表現(xiàn)出更大的 V th偏移，升壓轉(zhuǎn)換器中使用的低側(cè)和高側(cè) DUT 顯示出類似的趨勢(shì)。為了確定原因，作者檢查了柵極開關(guān)波形并進(jìn)行了模擬。開啟波形如圖 4 所示。雖然 10% 到 90% 的開關(guān)時(shí)間看起來相當(dāng)，但 ASS 期間的最大 dV GS /dt 斜率更高，并表現(xiàn)出更多的振蕩行為。

圖 4：GSS 和 ASS 期間的柵極導(dǎo)通波形

在這些測(cè)試期間，電容充電和放電產(chǎn)生的內(nèi)部瞬態(tài)電流分布在低于 V th 的范圍內(nèi)有所不同，這被懷疑是 V th偏移差異的原因。MOSFET 的米勒柵極漏極電容 (C GD ) 和輸出電容 (C DS ) 是 V DS電壓的函數(shù)。這在圖 5 中進(jìn)行了描述，其中還顯示了這些電流。

圖 5： ASS(左)和 GSS(右)期間具有內(nèi)部電容的 MOSFET 原理圖，而中心顯示了 C DS和 C GD對(duì) V DS偏置的典型響應(yīng)

在 GSS 測(cè)試中，V DS為 0 V。從 V DS開關(guān)瞬變中 C GD路徑電流的影響的基本推導(dǎo)可得出：

?VGS =( 1 ÷(1+(CGS ÷ CGD )))× ?VDS

這可以解釋兩次測(cè)量之間瞬態(tài)最大 dV GS /dt的差異。實(shí)際上，進(jìn)行 GSS 可靠性測(cè)試要簡(jiǎn)單得多，而改善最大 dV GS /dt 與 ASS 測(cè)試匹配的解決方案將是應(yīng)用中凈 V th偏移的更好預(yù)測(cè)因素。當(dāng)然，結(jié)果也高度依賴于外部組件，例如 R G和電感路徑。圖 6 顯示了R G對(duì) V th偏移的影響的示例。

圖 6：柵極電阻對(duì) GSS V th偏移的影響

GSS 測(cè)試是 SiC MOSFET 整體可靠性檢查的重要組成部分。在最終應(yīng)用中，V th偏移會(huì)導(dǎo)致 R DS(on)從較小的柵極過驅(qū)動(dòng)中增加。在太陽能逆變器等應(yīng)用中，部件的使用壽命可能超過 1e13 個(gè)開關(guān)周期，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)器件行為的這種變化對(duì)于確保整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行非常重要。將 GSS 柵極波形與實(shí)際 ASS 條件相匹配可以確保這一點(diǎn)。