【世說(shuō)設(shè)計(jì)】專家技術(shù)文章：提高 4H-SiC 肖特基二極管和 MOSFET 的雪崩耐受性

SiC 器件的市場(chǎng)份額預(yù)計(jì)將在未來(lái)幾年加速增長(zhǎng)，主要推動(dòng)因素是運(yùn)輸行業(yè)的電氣化。SiC 管芯將成為車載充電器和動(dòng)力傳動(dòng)牽引系統(tǒng)等應(yīng)用的模塊中的基本構(gòu)件。由于雪崩擊穿的臨界電場(chǎng)較高，因此高壓 SiC 器件的外形比同類硅器件小得多，并且可以在更高的開關(guān)頻率下工作。SiC 的熱性能也十分出色，它不但擁有良好的散熱性能，還能在高溫下工作。實(shí)際上，最高工作溫度通?？蛇_(dá) 175 °C，很少超過(guò) 200 °C，主要限制為裝配工藝（焊接金屬和封裝材料）。SiC 器件本質(zhì)上比硅器件更高效，切換到 SiC 管芯可以極大減少模塊中單個(gè)管芯的數(shù)量。 

隨著 SiC 器件從利基市場(chǎng)轉(zhuǎn)向主流市場(chǎng)，與大規(guī)模生產(chǎn)爬坡效應(yīng)相關(guān)的主要挑戰(zhàn)正逐漸被克服。為輕松實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變，制造廠正在建立可與現(xiàn)存硅生產(chǎn)線共用工具的 SiC 生產(chǎn)線。這種安排可有效降低 SiC 管芯的成本，因?yàn)檫@樣做可與 Si 生產(chǎn)線分擔(dān)開銷。隨著晶圓供應(yīng)商大幅度提高產(chǎn)能，近來(lái)在晶圓供貨方面的限制已不再是問題。由于 4H-SiC 襯底和外延生長(zhǎng)的不斷改進(jìn)，現(xiàn)在可提供晶體缺陷密度極低的高質(zhì)量 6 英寸晶圓。根據(jù)電氣參數(shù)測(cè)試可知，晶圓質(zhì)量越高，SiC 器件的產(chǎn)量就越高。 

但請(qǐng)務(wù)必記住，由于這些器件僅僅上市幾年，因此其現(xiàn)場(chǎng)可靠性數(shù)據(jù)十分有限。此外，由于 SiC 器件自身也面臨著一系列挑戰(zhàn)，因此其認(rèn)證比硅器件的認(rèn)證困難得多。在SiC 器件中，反向偏置條件下的電場(chǎng)高出將近一個(gè)數(shù)量級(jí)。如果不采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)規(guī)則，這種高電場(chǎng)很容易損壞柵極氧化層。SiC 柵極氧化層界面附近的陷阱密度也高得多。結(jié)果是，由于陷阱帶電，因此老化測(cè)試期間可能會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定性。一直以來(lái)，我們都專注于提高長(zhǎng)期可靠性，而取得的成果也令人欣慰，最近的報(bào)告顯示器件已通過(guò)嚴(yán)格的工業(yè)和汽車（AEC-Q101）標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。

除此之外，SiC 供應(yīng)商也已開始采取下一步行動(dòng)，即為惡劣環(huán)境耐受性測(cè)試提供數(shù)據(jù)。

惡劣環(huán)境耐受性測(cè)試

UIS 的耐受性與生產(chǎn)線前端和后端的外延質(zhì)量和制造工藝密切相關(guān)。即使外延中的微小晶體缺陷或與工藝相關(guān)的缺陷也可能構(gòu)成薄弱環(huán)節(jié)，導(dǎo)致器件在 UIS 測(cè)試期間過(guò)早失效。這就解釋了為什么對(duì)產(chǎn)品系列耐受性的全面分析中應(yīng)當(dāng)包含單脈沖和重復(fù) UIS（RUIS）測(cè)試。 

單脈沖測(cè)試用作篩選測(cè)試，用于識(shí)別 UIS 耐受性較低的器件。為了保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)中的 UIS 額定值，所有器件在交付給客戶之前都應(yīng)經(jīng)過(guò)測(cè)試。不過(guò)，器件在現(xiàn)場(chǎng)投入使用期間可能會(huì)經(jīng)歷多次 UIS 事件。為了分析逐漸磨損的特性，需要重復(fù)測(cè)試。要深入分析特性，應(yīng)對(duì)器件施加大量脈沖，常見做法是 100,000 次沖擊。 

在 UIS 脈沖期間，被測(cè)器件中的電流連續(xù)降低，而電壓基本保持恒定，但會(huì)因熱效應(yīng)而略微變化（圖 1）。UIS 脈沖的能量由脈沖開始時(shí)的最大電流和負(fù)載的電感定義。在測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)改變電感值來(lái)調(diào)節(jié)能量。最大電流保持恒定；它等于 SBD 的正向電流額定值，也等于 MOSFET 的漏極電流額定值的三分之二。

圖1：UIS 脈沖期間的 RUIS 測(cè)試設(shè)置以及電流和電壓的波形

RUIS 測(cè)試具有特定的約束條件，主要目的是防止一個(gè)脈沖與下一個(gè)脈沖的溫度發(fā)生積聚。在施加新脈沖之前，務(wù)必確保器件溫度接近環(huán)境溫度。在圖 1 所示的測(cè)試設(shè)置中，使用熱電偶傳感器監(jiān)視器件的溫度，并調(diào)整脈沖重復(fù)頻率以獲得恒定的讀數(shù)。為了有助于冷卻器件，應(yīng)將其安裝在散熱器上風(fēng)扇下方的位置。 

可實(shí)現(xiàn)高雪崩耐受性的器件設(shè)計(jì)

除了采用適當(dāng)?shù)臏y(cè)試過(guò)程之外，一流的 UIS 耐受性還需要使用下面的一組設(shè)計(jì)規(guī)則：

• 高壓端接設(shè)計(jì)有足夠高的固有擊穿電壓，以確保有效區(qū)域首先進(jìn)入雪崩狀態(tài)。在這種情況下，能量會(huì)分散到整個(gè)有效區(qū)域上，而不是在狹窄的端接中，后一種情況會(huì)導(dǎo)致過(guò)早失效。 
• MOSFET 的 JFET 區(qū)域中的電場(chǎng)屏蔽對(duì)于保護(hù)柵極氧化層非常關(guān)鍵。應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎優(yōu)化用于界定 JFET 區(qū)域的 P 型摻雜阱的設(shè)計(jì)和注入方案，以便提供足夠的屏蔽而不會(huì)嚴(yán)重影響導(dǎo)通狀態(tài)電阻。
• 利用具有高導(dǎo)熱率的鈍化材料為熱量通過(guò)管芯的頂部耗散提供了路徑。

使用這些規(guī)則設(shè)計(jì)的肖特基二極管和功率 MOSFET 在惡劣環(huán)境耐受性測(cè)試中均表現(xiàn)良好。對(duì) SBD 的測(cè)試持續(xù)到單脈沖和重復(fù) UIS 失效為止，同時(shí)還監(jiān)視了多個(gè)直流參數(shù)。這項(xiàng)測(cè)試的結(jié)果表明，器件的正向電壓和反向泄漏電流十分穩(wěn)定，而反向擊穿電壓則略有增加，這可歸因于 SiC 上表面附近的自由載流子俘獲。即將失效之前的脈沖能量如圖 2 所示。UIS 耐受性隨器件額定電壓的增大而提高。鑒于大部分熱量在外延區(qū)域產(chǎn)生，這種趨勢(shì)不難解釋。隨著外延厚度因額定電壓的增大而增加，每單位體積產(chǎn)生的熱量會(huì)減少，這反過(guò)來(lái)會(huì)降低器件中的溫度。由于重復(fù)測(cè)試的原因，UIS 的耐受性會(huì)系統(tǒng)性降低，但程度很小。與單脈沖 UIS 相比，差異小于 10%。多個(gè) UIS 脈沖沒有強(qiáng)累加效應(yīng)，預(yù)計(jì) SBD 在現(xiàn)場(chǎng)投入使用期間將

保持高耐受性。

圖 2：700V、1200V 和 1700V SiC SBD 失效前每個(gè)活動(dòng)區(qū)域的比能

MOSFET 惡劣環(huán)境耐受性特性分析應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注柵極氧化層的長(zhǎng)期可靠性，這無(wú)需對(duì)器件施壓至失效。作為替代，可使用由 100,000 個(gè)能量相對(duì)較低的脈沖組成的重復(fù)測(cè)試。舉例來(lái)說(shuō)，Microchip 1200V/40 mΩ MOSFET 使用雪崩耐受性規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò) 100 mJ脈沖進(jìn)行測(cè)試，其單脈沖 UIS 額定值為 2.0J。大多數(shù)直流參數(shù)不受影響；不過(guò)，由于該測(cè)試對(duì)柵極氧化層施壓，因此會(huì)觀察到柵極泄漏的適度增加。為了確定長(zhǎng)期可靠性是否受到損害，我們對(duì)器件施加了隨時(shí)間變化的介電擊穿。圖 3 報(bào)告了對(duì)各種器件的柵極施加 50μA 直流電流時(shí)的失效時(shí)間，具體包括使用公司的雪崩耐受性規(guī)則開發(fā)的 Microchip SiC器件以及其他三家領(lǐng)先供應(yīng)商提供的器件。

圖 3：四家供應(yīng)商提供的 1200V MOSFET 的 TDDB 失效時(shí)間

關(guān)于世健

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