了解半導(dǎo)體器件的失效模式是制定篩選、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)定的限制范圍內(nèi)運(yùn)行，并滿足汽車和其他電力轉(zhuǎn)換應(yīng)用中對(duì)每十億個(gè)部件的日益嚴(yán)格的失效率要求。本文將討論對(duì)碳化硅MOSFET器件進(jìn)行的柵極開(kāi)關(guān)應(yīng)力(GSS)測(cè)試。

碳化硅MOSFET中的直流與交流柵極應(yīng)力效應(yīng)

碳化硅MOSFET的柵氧化層可靠性多年來(lái)一直是研究的重點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，氧化物/碳化硅界面會(huì)導(dǎo)致閾值電壓(Vth)、導(dǎo)通狀態(tài)電阻(RDS(on))等關(guān)鍵器件參數(shù)的顯著變化及早期失效。柵氧化處理的改進(jìn)，包括氮化處理，顯著提高了在標(biāo)準(zhǔn)可靠性和鑒定測(cè)試下柵氧化層的內(nèi)在可靠性。這些測(cè)試中，有一些源自硅器件測(cè)試，包括：

·時(shí)間依賴性介質(zhì)擊穿測(cè)試，通常在加速條件下對(duì)電容器進(jìn)行恒定應(yīng)力，以推導(dǎo)出額定條件下的失效時(shí)間曲線。

·高溫柵偏置鑒定，對(duì)封裝器件進(jìn)行恒定的柵偏置，達(dá)到最大柵極和溫度規(guī)格，同時(shí)漏源電壓(VDS)為0 V。

·偏壓-溫度-不穩(wěn)定性(BTI)可靠性測(cè)試，在恒定偏壓下進(jìn)行。

在直流偏置條件下，碳化硅MOSFET的Vth漂移通常大于硅MOSFET。此外，許多研究致力于在應(yīng)用特定條件下測(cè)試這種漂移，這種條件通常是器件切換的狀態(tài)。這些切換瞬態(tài)可能導(dǎo)致柵源電壓(VGS)的過(guò)沖/欠沖，受多個(gè)因素的影響，例如開(kāi)啟和關(guān)閉的過(guò)渡速率、內(nèi)部器件電容以及可能設(shè)計(jì)在內(nèi)的外部元件(如柵電阻)或寄生效應(yīng)(如鍵合線電感)。

GSS測(cè)試的提議是讓柵極在器件的最大指定溫度下經(jīng)歷重復(fù)的切換周期，同時(shí)保持VDS為0 V。該測(cè)試現(xiàn)已成為JEDEC JEP195指導(dǎo)方針的一部分。

對(duì)GSS行為的研究表明：

·AC循環(huán)導(dǎo)致的Vth漂移依賴于切換周期數(shù)(Ncycles)，可以表示為?Vth = Ao × Ncycles^n，其中指數(shù)n會(huì)有所變化。

·在大約107 Ncycles以下，退化遵循常數(shù)n ≈ 0.16，這通常是在DC-BTI應(yīng)力下表現(xiàn)出的。

·超過(guò)108 Ncycles時(shí)，n增加到≈ 0.32，這種行為在DC應(yīng)力下未見(jiàn)到。該漂移的表現(xiàn)如圖1所示。

·應(yīng)力時(shí)間超過(guò)≈ 1e11 Ncycles時(shí)，顯示出飽和的較低漂移速率，n ≈ 0.1。

·Vth的漂移與最大和最小VGS切換水平有很大關(guān)系，越來(lái)越負(fù)的VGS_low值會(huì)導(dǎo)致更強(qiáng)的漂移。通常建議在關(guān)閉碳化硅MOSFET時(shí)使用負(fù)VGS，尤其是在硬切換條件下，以減少由于米勒電容耦合導(dǎo)致的誤開(kāi)啟風(fēng)險(xiǎn)，并降低開(kāi)關(guān)損耗。

·GSS導(dǎo)致的Vth漂移在很大程度上是不可恢復(fù)的，與DC-BTI應(yīng)力導(dǎo)致的漂移不同。

從測(cè)量的角度來(lái)看，高頻測(cè)試確保在合理的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)足夠的循環(huán)次數(shù)，并觀察到GSS漂移。例如，500 kHz的切換頻率可以在1000小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)超過(guò)1e12次循環(huán)。在某些應(yīng)用中，如太陽(yáng)能逆變器，這可能不足以模擬預(yù)期的20年使用壽命，但可以在合理的信心下進(jìn)行外推。2這種不可恢復(fù)的特性也使得在零件從應(yīng)力烤箱中取出后，進(jìn)行外部Vth測(cè)量變得更容易。

GSS與ASS的比較

一個(gè)重要的問(wèn)題是，GSS測(cè)試是否準(zhǔn)確反映了應(yīng)用切換應(yīng)力(ASS)下的應(yīng)力。Gómez等人試圖通過(guò)圖2所示的測(cè)試設(shè)置回答這個(gè)問(wèn)題。ASS配置為升壓轉(zhuǎn)換器，但其他類似設(shè)置用于規(guī)范化其他測(cè)試條件，尤其是柵驅(qū)動(dòng)。

使用的器件是額定為1200 V的碳化硅MOSFET。測(cè)試使用的一些條件為：

·切換頻率 = 100 kHz

·VGS_high = 18 V，VGS_low = -8 V

·柵電阻(RG)= 4.7 Ω

·對(duì)于ASS，Vcc = 400 V，負(fù)載電流(iL)為1.2 A，?iL(峰值-峰值)為1.6 A

在周期性間隔內(nèi)進(jìn)行了外部Vth測(cè)量。每種情況下的漂移結(jié)果如圖3所示。

受ASS影響的被測(cè)器件表現(xiàn)出更大的Vth漂移，升壓轉(zhuǎn)換器中的低側(cè)和高側(cè)器件顯示出相似的趨勢(shì)。為了確定原因，作者檢查了柵極開(kāi)關(guān)波形并進(jìn)行了仿真。

開(kāi)啟波形如圖4所示。盡管10%到90%的切換時(shí)間看起來(lái)相似，但在ASS期間最大dVGS/dt斜率更高，并表現(xiàn)出更多的振蕩行為。

在這些測(cè)試中，電容充電和放電期間的內(nèi)部瞬態(tài)電流分布在亞閾值(sub-Vth)區(qū)域是不同的，這被懷疑是導(dǎo)致Vth漂移差異的原因。

MOSFET的米勒柵漏電容(CGD)和輸出電容(CDS)是VDS電壓的函數(shù)。這在圖5中有所體現(xiàn)，并展示了這些電流。

在GSS測(cè)試中，VDS為0 V。從CGD路徑中電流流動(dòng)的基本推導(dǎo)，得出VDS切換瞬態(tài)的影響：

這可以解釋兩個(gè)測(cè)量之間瞬態(tài)最大dVGS/dt的差異。在實(shí)踐中，進(jìn)行GSS可靠性測(cè)試要簡(jiǎn)單得多，而改進(jìn)ASS測(cè)試中的最大dVGS/dt匹配的解決方案將是對(duì)應(yīng)用中Vth漂移的更好預(yù)測(cè)。當(dāng)然，結(jié)果在很大程度上也依賴于外部元件，例如RG和電感路徑。RG對(duì)Vth漂移影響的示例如圖6所示。

GSS測(cè)試是對(duì)碳化硅MOSFET整體可靠性檢查的重要組成部分。Vth漂移導(dǎo)致最終應(yīng)用中柵極過(guò)驅(qū)動(dòng)減少而產(chǎn)生更高的RDS(on)。

在如太陽(yáng)能逆變器等應(yīng)用中，器件可能經(jīng)歷超過(guò)1e13次切換周期，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)器件行為中的這種漂移對(duì)于確保整體系統(tǒng)的正常功能至關(guān)重要。將GSS柵波形與實(shí)際ASS條件匹配可以確保這一點(diǎn)。