国产派恩杰MOSFET经过大量TDDB实验，提供万年使用寿命级别器件

时间： 2021-03-05 来源：派恩杰

技术问答

SiC功率器件凭借其高压、高频、高温和高功率密度的材料特性，在高效电能转换领域有巨大的市场。其中SiC MOSFET的发展最引人关注，可广泛应用于电源、光伏和新能源汽车等领域。

对MOSFET器件来说，栅氧可靠性水平是评测器件可靠性的重要部分。因此，SiC想要取代Si的应用，满足工业级以及车规级的可靠性需求，对SiC功率器件栅氧可靠性的探究是必不可少的。与Si材料相比，SiC材料具有更大的禁带宽度，因此2种材料的栅氧界面性质也有所不同，失效机制和检测方法也会不同。

TDDB（time-dependent dielectric breakdown）作为一种评测栅氧可靠性的实验方法，可以检测&评价MOSFET的栅氧质量，同时基于实验数据还可以建立栅氧使用寿命预测模型、栅氧不良品筛选模型等，满足器件的可靠性要求。

一、SiC MOSFET栅氧失效机理

对当前市面上满足高压应用的SiC功率器件来说，栅氧厚度普遍大于5nm，因此失效时不存在所谓的软击穿现象，为硬击穿。其中，硬击穿的失效机理可分为内在失效（intrinsic failure）和外在失效（extrinsic failure）。

内在失效是由于固有缺陷导致的，即不存在任何外在缺陷，栅氧质量水平取决于材料本身（SiC/SiO2界面）；外在失效是由非固有缺陷造成的，可理解为在SiC/SiO₂界面处或SiO₂内部，由于微观瑕疵或缺陷引起的失效。

关于器件早期的失效原因是内在失效还是外在失效，一直饱受争论。关于内在失效的机理，存在部分猜想：

1、早期失效是栅氧的内在失效造成的，是由于SiC/SiO₂界面存在较大的Fowler-Nordheim隧穿电流。

对于相同电场，SiC MOSFET中的Fowler-Nordheim隧穿电流要比Si MOSFET高得多，因为SiC和SiO₂之间的导带偏移小于Si和SiO₂之间的导带偏移。

如图所示，在Si-SiO₂界面中，导带偏移为3.2eV，而4H-SiC的导带偏移仅为2.7eV。二者在偏移量上0.5eV的差异使得相同电场下，4H-SiC/SiO₂界面Fowler-Nordheim隧穿电流比Si/SiO₂界面相应的Fowler-Nordheim隧穿电流大1.5倍。

然而，对于栅氧厚度为几十纳米范围内的器件，可以忽略这一点。对SiC MOSFET来说，Eox<3-5MV/cm时栅极隧穿电流可以忽略不计。因此这一猜想是不成立的。

2、热氧化过程中的碳原子影响了栅氧的性能，造成了内在失效。

在SiC的热氧过程中，消耗了一定比例的SiC，并释放含碳分子。如果碳被困在SiO₂主体中，它可能会对氧化物的本征击穿特性产生影响。例如，捕获的碳可以作为形成渗滤路径的催化剂或影响Si-Si或Si-O键的局部偶极矩。

如果猜想成立，那么完全热生长的厚氧化物中，应该会在其制造过程中释放出更多碳，同时应该在某处存在更低的击穿电场。但是，没有实验证据可证明厚氧化物和普通氧化物存在这种差异。

同时，通过SIMS（二次离子质谱）或HR-TEM（高分辨率透射电镜）也并未在SiC的热氧化物中发现大量碳。因此，此猜想也可以排除。

为了探究外在失效是否起了主导作用，有研究人员在小面积的MOS capacitor上进行了TDDB试验。其中capacitor的面积足够小，可近似为不存在外在缺陷。结果发现，栅氧质量明显提高，与Si基材料的内在性能相同，使用寿命一致。

基于业内研究和学术报告，多数观点认为引起SiC MOSFET栅氧失效的原因为外在失效。

二、SiC MOSFET栅氧寿命预测模型

想要得到寿命预测模型，首先应当了解温度加速因子和电压加速因子的计算方式。

1、温度加速因子

通常使用阿伦尼乌斯模型来解释温度加速：

失效时间可表示为：

其中E_a为激活能，k为玻尔兹曼常数（8.617×10^-5eV），A为常数。

假设应力温度为T_S，在该应力下寿命为τ_S，实际工作温度为T₀，对应的预测寿命为τ₀，

则温度加速因子可表示为：

通过测试同一批次器件在不同温度下的使用寿命，即可提取计算出激活能Ea的值，从而可以得到每个温度对应的温度加速因子。

2、电压加速因子

电压应力破坏机制比较复杂，器件的结构和类型不同，模型也会不同。但对于MOSFET器件，尤其是对于测试耐电压应力的栅极氧化物可靠性，Eyring指数模型可以较好地预测使用寿命。

使用寿命τ可以表示为：

其中A为常数，β为该电压应力下的电压加速系数。

假设应力电压为V_S，在该应力下寿命为τ_S，实际工作电压为V₀，对应的预测寿命为τ₀。

电压加速因子可表示为：

通过测试同一批次器件在不同栅压下的使用寿命，即可提取计算出电压加速系数β的值，从而可以得到每个栅压对应的电压加速因子。

在测试时，所施加栅压值不能使得Eox>8MV/cm，否则将会出现overstress现象，影响模型精准性。

基于在不同电压和温度下的测试值，可以计算得知上述参数Ea和β。同时可以用以下的曲线来检验测试数据的可靠性。

1）浴盆曲线

因为主要失效机理为外在失效，实测数据绘制成的浴盆曲线通常只存在早期失效和随机失效区域，不存在老化失效区域。

其中，失效率定义如下：

其中n为此次可靠性实验样品总数，t为可靠性实验的时长，r为到时间t为止失效的样品数，AF为加速因子，χ²为卡方分布，CL为卡方分布对应的置信等级。

2）ln(-ln(1-F))-lnt曲线

大部分的器件测试结果都分布在斜率<1的外在失效区域。通常器件要求的使用寿命，即20yrs（T=175℃，Vg=Vg,use）也分布在此区域。

3）Failure function曲线

Failure function可表示为：

其中n为此次可靠性实验样品总数，t为可靠性实验的时长，r为到时间t为止失效的样品数。

4）Hazard Function曲线

基于外在失效机理，器件测试结果为左边曲线。Hazard Function可表示为：

其中n为此次可靠性实验样品总数，t为可靠性实验的时长，r为到时间t为止失效的样品数。

三、PNJ SiC MOSFET栅氧寿命&筛选

派恩杰作为国内前沿的SiC MOSFEET供应商，针对量产产品，每一批MOSFET都经过了大量TDDB实验，建立了精确的寿命预测模型。同时，派恩杰针对不合格的样品，建立了快速可靠的筛选机制，保证交付质量，满足客户对器件寿命的使用要求。

以P3M12080K4（1200V 80mΩ）为例，其在175℃条件下的使用寿命如图所示，Vg=15V时可达到万年级别，远超20年的寿命周期。

发送到邮箱 |
+1 赞 0
收藏
评论 11
| 转发至：

本文由宝丁转载自派恩杰，原文标题为:派恩杰基于SiC MOSFET栅极氧化层可靠性的前沿探索，本站所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系，我们将立即进行删除处理。

全部评论（11）

用户56731903 Lv9. 科学家 2021-03-08

了不起啊！！！
用户84209882 Lv5. 技术专家 2021-10-14

学习了
甘世强 Lv6. 高级专家 2021-04-06

了解
用户84866351 Lv6. 高级专家 2021-03-13

学习
zwjiang Lv9. 科学家 2021-03-13

学习学习

海洋之心 Lv4. 资深工程师 2021-03-13

学习
LHY Lv7. 资深专家 2021-03-11

学习
WilberTse Lv6. 高级专家 2021-03-10

好东西!
夏拉 Lv7. 资深专家 2021-03-10

学习
dylen Lv7. 资深专家 2021-03-09

学习

展开更多评论

瞻芯电子累计交付SiC MOSFET产品1000万颗以上，产品的长期可靠性得到市场验证

近日，自2020年正式发布第一代碳化硅(SiC) MOSFET产品以来，瞻芯电子累计交付SiC MOSFET产品1000万颗以上，其中包含近400万颗车规级产品应用在新能源汽车市场，标志着产品的长期可靠性得到了市场验证。

原厂动态发布时间 : 2024-09-29

格力新元电子携带多款核心产品参加2024第十二届上海国际新能源汽车生态链博览会

本次展会，格力新元电子的展品涵盖电机驱动系统、导航仪表、直流电压转换器DCDC、照明系统、车载充电机OBC、空调系统、动力转向系统和电池管理系统等新能源汽车核心应用领域，提供车载用电子器件解决方案和服务，推动新能源汽车产业升级。

原厂动态发布时间 : 2024-08-12

鲁晶携多款功率器件产品出席第十四届亚洲电源技术发展论坛，为新能源、光伏、充电桩等领域应用提供服务

鲁晶半导体携旗下Si SBD/FRD/SCR、Si MOS/IGBT、SiC Diodes、SiC MOSFET等功率器件产品出席第十四届亚洲电源技术发展论坛，产品广泛应用于各类智能家电、电动工具、新能源、充电桩、光伏、电源、工控等领域。

原厂动态发布时间 : 2024-01-09

HI-SEMICON（深鸿盛）MOSFET/SiC肖特基二极管/SiC MOSFET选型指南

目录- 公司简介 MOSFET Product Introduction VDMOS 超结MOSFET 中低压MOSFET 碳化硅肖特基二极管碳化硅MOS MOSFET/SiC肖特基二极管封装

型号- SCF60R190C,SFD3006T,SFD6003T,SGP104R5T,SFS0406T4,SFM6005DT,SFD7N70,SFW90N25,SFQ0320T4,SFD18N20,SFM4009T,SFE6001T2,SFM6004T5,SFK2N50,SFF60N06,SFN4006T5,SFM0420T4,SFP10003PT,SFF18N20,SCF65R190TF,SFD2N50,SFM4004PT,SFS6003PT,SFP33N10,SFS4010T,SGS6001T4,SGP6008T,SFS3401,SFQ0318T4,SC3D40120D,SFS3400,SFK1N65,SCD65R960C,SFS4010T2,SFF5N80,SFS0407T4,SFS3407,SFD6005T,SFD10003PT,SFD7N50,SFM6005ST,SFF18N50,SFP40P10,SGS15HR430T,SFA10015T,SFP50N06,SCF65R640C,SFD3003T,SFQ0322T4,SFF12N65,SFD6006T,SGD105R5T,SFP11P20,SFD6N70,SFS6007T,SGM10HR14T,SCF65R380C6,SFS3400.A,SFS3001T2,SCD70R600C,SFQ0420T4,SCF60R580C,SGXXXXXPT,SGM062R3T,SFS4525T,SFD3004T5,SFS3401A,SGM066R5T,SFN3009T,SGM031R7T,SFB11N90,SCD70R900C,SFU3006T,SFP9N20,SFA110P06,SFR0305T2,SFF50N06,SFD6007T,SCD80R500S,SC3D08065G,SCF65R380C,SFD4006T,SC3D08065I,SFN0315T4,SFN3003PT,SFA6005T,SFS4008T2,SFS2300,SGP157R5T,SFS2301,SFM10015T,SFH8402DW,SC3D04065E,SCU70R900C,SCF60R280C,SFS2304,SFS2303,SFF13N50,SFS2305,SC3D04065I,SFF7N50,SCF65R540T,SFD50N06,SFP20007,SFU18N20,SGP104R0T,SCD65R1K2C,SFN0330T2,SFD6008T,SGM107R7T,SC3D04065A,SFM4010T,SFF20N50,SC3D20065D,SFP40N20,SFS0307T4,SFD3012T,SFF7N65,SCD60R580C,SFU5N20,SC3D10065A,SGM105R0T,SCF65R310C,SCF60R360C6,SFS0405T4,SC3D10065G,SC3D10065I,SFP6P10,SFM4005DT,SC3K080120,SCK65R1K15C,SFW50N25,SFU4N65,SFN0413T4,SFD5N65,SFP30P10,SFM10003PT,SC3D08065A,SFP18P10,SFD4N90,SFF7N70,SCF60R125C,SFXXXXXPTX,SFD4006PT,SFD4003T,SCF70R600C,SFF6005T,SFS0306T4,SCF80R950C,SGA104R0T,SFD3010T,SFE3007T,SFD5N50,SFP3006T,SFP3018T,SFP18N20,SGP103R0T,SCW65R075CF,SCF65R170C,SFS6012T2,SGD6008T,SGM041R8T,SFD4001PT4,SFD4001PT5,SFF8N65,SFN3006PT,SC3K040120,SGM6008T,SFD4N70,SCW60R030CF,SFB50N25,SCW65R041CF,SFP6005T,SFS2013PT,SCF70R420C,SCW65R090C,SGM031R1T,SCD70R420C,SC3K075120,SFD33N10,SCW65R099TF,SFP5P03,SCF60R160C,SFR0206T2,SFD4N65,SC3D15120H,SFS2N7002,SFF33N10,SCF70R360C6,SFD2008T,SFN3003T,SFS2302B,SGM109R5T,SFM6008T,SFD3006PT,SFD6003PT,SGA104R5T,SFF20N65,SFK4N65,SFB90N25,SFD5N20,SFR0205PT2,SGM030R7T,SFF8N80,SC3D30065D,SFN3002T,SFU9N20,SFD7N65E,SFD9N65,SFD4004PT,SFF20N70,SGM042R4T,SFP6007T,SFS3401B,SFS4435,SFU6003T,SGU6008T,SFM0430T2,SFF10N70,SCF60R360C,SFD2006T,SC3D06065E,SC3D06065G,SFP75P55,SC3D10120H,SFF3N80,SC3D06065A,SCD70R600C6,SCD65R380C,SFD14N25,SC3K015120,SFSAP4580,SFS6010T2,SCD65R540T,SGP105R5T,SFF4N65,SFF10N65,SC3D30120H,SFM0320T4,SC3D30120D,SC3D16065A,SC3D16065D,SC3D16065G,SFP27P20,SC3K050120,SFU6005T,SFW10P04,SFD3N50,SFF4N70,SFM10008T,SFF9N90,SCXXXXXXXXFX,SFD2003T,SFN0318T2,SFD3009T,SFM3011T,SFD6005PT,SC3K032120,SFP110N55,SFF16N65,SC3D12065A,SFF10N80,SFF5N50,SC3D12065G,SGD10HR20T,SC3D12065I,SC3D20120H,SFP59N10,SFN6004T5,SXXXXXXX,SFD9N20,SCF65R240C,SC3D06065I,SCD65R640C,SFS2012PT,SGA105R5T,SFN0250T2,SFM3012T,SC3D20120D,SGM041R3T

选型指南 - HI-SEMICON - 2022/11/18 PDF 中文下载

SiC-MOSFET让汽车及工业设备更小更高效，宽耐压，开关损耗降低50%

世强硬创联合瑶芯微，爱仕特，派恩杰，瞻芯电子，中电国基南方，带来让汽车及工业设备更小更高效的SiC MOSFET系列产品，最高1700V宽耐压，开关损耗降低50%。

活动发布时间 : 2023-04-14

【视频】蓉矽高可靠性SiC功率器件在光储充与新能源汽车上的应用

型号- NCD30S40TTD,NC1M120C12HT,NC1M120C12W,NC1D120C10AT,NCD30S20TTD,NC1D120C20KT,NC1D120C30KT,NC1M120C40HT,NC1M120C75HT

商品及供应商介绍 - NOVUSEM PPTX 中文下载

1700V SiC MOSFET在大功率能源及工业领域的应用

1700V SiC MOSFET的低开关损耗可提高开关频率，且每个单元的总体尺寸大幅减小。同时，1700V的高阻断电压还可减少达到相同直流电压所需的单元数。在以上种种简化和优化后，终端应用的系统可靠性大大提升，而更少的有源开关和栅极驱动器也降低了整体成本。SMC桑德斯微电子根据客户的需求设计和生产半导体及相关产品。

应用方案发布时间 : 2024-06-18

澜芯半导体车规级SiC MOSFET/ IGBT等功率器件授权世强硬创代理

1200V 40mΩ SiC MOSFET和基于第二代工艺平台开发的1200V 12mΩ SiC MOSFET单芯片流片取得巨大成功，平均良率达到90%以上。

签约新闻发布时间 : 2023-10-18

高压快充推动碳化硅SiC器件产业化：新能源汽车市场趋势与技术革新

随着全球新能源汽车市场的蓬勃发展，高压快充技术作为新能源汽车补能的主要解决方案，正逐步成为市场主流。凭借多年来在磁性元器件领域中积累的研发技术、生产经验，铭普已形成PFC电感、共模电感、电源变压器、PLC变压器和塑封逆变电感等系列产品矩阵且积极与碳化硅芯片公司合作。

行业资讯发布时间 : 2024-08-10

昕感科技将携SiC器件、SiC功率模块以及电源模组方案亮相2024慕尼黑上海电子展

2024年7月8号-10号，慕尼黑上海电子展将在上海新国际博览中心隆重举行。昕感科技作为大功率器件及模组解决方案IDM厂商，将携SiC器件、SiC功率模块，以及电源模组方案亮相。最新推出的1200V/7mΩ、1200V/13mΩ SiC MOSFET将会现场展出。展位号: E3馆 3166。

原厂动态发布时间 : 2024-07-05

中电国基南方可提供650-6500V/17-1000毫欧的SiC MOSFET，适用于辅助电源/电驱

中电国基南方是国内最早实现6英寸SiC MOSFET批产定性的IDM企业，目前可稳定批量生产650V-6500V，导通电阻17-1000毫欧的SiC MOSFET器件，打破国内SiC MOSFET市场长期被进口器件垄断的格局，同时在价格和交期上相较于进口器件更具优势。

原厂动态发布时间 : 2021-01-30

聚焦5G通信/新能源/光伏领域，功率器件厂商平伟实业授权世强硬创代理

根据协议内容，功率二极管、肖特基二极管、快恢复二极管、整流器件、整流二极管、整流桥、同步整流模块、MOSFET等全线产品均已上线世强硬创平台。

签约新闻发布时间 : 2023-10-24

爱仕特1200V 12mΩ SiC MOSFET已量产并批量出货，兼具超低导通和超快开关特性

爱仕特自主研发的15V驱动的1200V 12mΩ SiC MOSFET和1700V 25mΩ SiC MOSFET芯片已量产并开始批量出货给国内客户，填补了国内该系列产品研发及应用的空白，引领国内SiC功率器件技术跻身国际领先水平。

原厂动态发布时间 : 2022-12-05

扬杰科技2024慕尼黑上海电子展回顾，展示新能源汽车、光伏逆变器、储能逆变器等多元领域的产品解决方案

2024年7月8-10日，为期三天的慕尼黑上海电子展圆满落幕，扬杰科技凭借卓越先进的展品、行业应用解决方案、独具一格的展台设计，现场销售人员、FAE、PM、行业经理等进行专业接待交流，吸引大量新老客户来现场进行互相交流探讨，展会现场人流如织，使得扬杰科技成为本次展会一大亮点。

原厂动态发布时间 : 2024-07-13

瞻芯电子提出新能源汽车恒流预充固态继电器方案，体积大幅降低70%以上，性能优异，成本更低

瞻芯电子提出了一种新颖的高压预充方案，采用恒流控制的buck电路，可将后级母线电容快速充到电池电压。该方案采用碳化硅（SiC）MOSFET和碳化硅（SiC）SBD组成恒流充电回路，整个预充过程电流恒定，既降低了对于功率器件的要求，同时也大大提高了预充速度，而且不需要电阻，即可让后级电容充到母线电压。

应用方案发布时间 : 2023-11-20