3300V SiC MOSFET栅氧可靠性研究

2024-03-19 芯长征科技公众号
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碳化硅SiC(silicon carbide)功率器件因其卓越的材料优势,近年来得到迅速发展。高压、高频、高温和高功率密度等器件特性,使其在高效电能转换领域有巨大的市场,其中金属-氧化物-场效应晶体管MOSFET的发展最引人关注。目前中、低压SiC MOSFET已经部分商业化,Cree、Rohm和Infineon等公司先后推出了相关产品,被广泛应用于电源、光伏和新能源汽车等领域。以3300V为代表的高压SiC MOSFET已经出现样品,并逐步在轨道交通和机车牵引等领域展开试用,大幅提升了系统的效率,降低系统体积。


Si功率器件相同,SiC MOSFET按照沟道方向可以分为平面型MOSFET沟槽型MOSFET。平面型MOSFET工艺相对简单,但JFET区域会存在夹断效应,造成导通电阻增大;沟槽型MOSFET通过垂直沟道,解决了JFET区域电流夹断的问题,降低了器件的导通电阻,同时缩小了芯片元胞结构的尺寸,以实现更大的电流能力,但SiC沟槽的刻蚀及氧化工艺难度较大,且沟槽底部的电场尖峰较高,容易造成提前击穿,需要进行专门保护。


功率器件的可靠性是指在其工作边界内长期使用的寿命, 通过加速老化试验来进行研究。SiC MOSFET 可靠性的研究主要集中在栅极氧化层方面,由于SiC材料由Si和C两种原子组成,栅极氧化层时通过热氧化,将Si元素变成SiO2,C则转化为CO或者CO2排出,C元素如不能顺利排出,则会使氧化层质量下降,造成器件可靠性下降。因此,SiC MOSFET器件的栅氧可靠性问题是长期以来的研究热点。


1. 3300V SiC MOSFET

1.1 器件结构

采用平面栅技术,基于中车时代电气半导体有限公司的工艺平台完成3300V SiC MOSFET芯片的制造,其元胞截面结构见图1。其中,在外延层上通过离子注入工艺,依次形成P型基区与N+重掺杂区,然后完成栅极和源极的图形化。P型基区中间的区域被称为“JFET区”,该区域的尺寸对芯片的电流能力有直接影响。设计中对JFET区的宽度进行了分组,分别设置了2.5、3.5和4.5μm 3种结构。


1.2 参数性能


对完成制备的3300V SiC MOSFET器件,使用Agilent B1505A进行击穿特性、阈值特性和输出特性的测试,测试结果如图2所示。从测试结果来看,器件在3000V电压下漏电流IDSS<1μA,JFET宽度为4.5μm结构漏电流略大;器件的阈值电压Vth≈2.5V,与设计无相关性;器件的漏极电流IDS与JFET关系很大,在 VGS=20 V、VDS=2V时,3种结构的漏极电流IDS依次为8、7和5.0A。


2. 高温栅偏试验

2.1 试验过程


高温栅偏HTGB(high temperature gate bias)试验主要是对器件栅氧可靠性的考核,用于表征栅氧的质量及寿命等。挑选6只不同结构的3300V SiC MOSFET按照如下条件进行试验:Ta=150℃,VDS=0V,VGS=20V,t=168h。器件在HTGB试验过程中,栅极漏电IGSS的监控结果如图 3 所示。从监控结果来看,考核过程中器件栅极漏电IGSS稳定,且小于0.3nA,未出现失效。


2.2 考核分析


对被考核的器件依次进行击穿特性、阈值特性和输出特性的测试, 并与考核前测试结果进行对比。考核前后的器件参数对比结果如图4所示。图4中,在考核后的击穿电压测试中,被测6只器件,有3只发生失效,击穿电压变为0V;失效器件的阈值特性与合格器件出现明显差异,阈值曲线变软,如图4(b)所示;而输出特性与合格器件未发现明显区别。结合图3的监控数据,在考核过程中器件栅极漏电流小于0.3nA,监控数据正常。因此,失效应该是发生在HTGB试验后击穿电压测试阶段,在器件承受反向较高的偏压时,栅氧化层被击穿,造成栅源穿通,导致阈值电压异常。


3. 反偏栅应力试验

针对击穿特性评估中,出现栅氧的失效问题,基于3300V SiC MOSFET开展进一步研究,以评估高压SiC MOSFET器件在反偏时栅氧的电应力问题。


3.1 试验原理


在MOSFET击穿电压测试时, 漏极加高压,源极与栅极短接接地, 实际存在漏源和漏栅2个漏电通道。漏源之间的漏电流IDS实际是PN结漏电流;漏栅之间的漏电流IDG实际是MOSFET器件在承受反偏电压时栅氧的漏电流。图5为该试验的原理,通过R1和R2分别记录漏栅电流IDG与漏源电流IDS


3.2 试验条件

挑选JFET宽度为2.5μm器件2只、JFET宽度为3.5μm器件6只、JFET宽度为4.5μm器件2只,共10只器件进行试验,测试条件如下。

条件 1:Ta=150℃,VCC=30V,t=30min;

条件 2:Ta=150℃,VCC=1500V,t=60min;

条件 3:Ta=150℃,VCC=2000V,t=120min;

条件 4:Ta=175℃,VCC=2000V,t=60min。

记录漏源之间漏电流IDS和漏栅之间漏电流IDG


3.3 试验结果


图6为漏源之间漏电流IDS和漏栅之间漏电流IDG的试验结果。不同设计器件的IDS和IDG漏电与考核中电热应力的关系如表1所示。



从图6及表1可以看出, 对于3种不同JFET宽度设计的3300V SiC MOSFET。


(1)漏源之间的漏电流IDS,主要是PN结漏电,随着VCC的增大及温度的升高而增大;不同器件的漏电有差别,受终端保护环设计、材料缺陷等影响较大,与JFET宽度设计无关。


(2)漏栅之间的漏电流IDG,主要是栅氧的漏电流,会随着温度的升高及栅氧电应力的增大而增大。在本次试验中,未直接给栅极施加电应力,但IDG随着漏源之间耐压VDS的增大而增大,并且表现出与JFET宽度的相关性,JFET宽度越宽,该漏电越大。在VDS=2000V,Ta=175℃时,该漏电已达到50nA,说明此时栅氧承受着很大的栅应力。


3.4 仿真验证


SiC MOSFET器件在承受漏源耐压时,如图7所示,正面的P型基区/N型漂移层结扩展以承受电压。随着反向耐压的增大,耗尽层(图7中虚线)会继续往垂直方向扩展。与此同时在器件横向方面,同样会存在电场扩展,造成A点的电势升高。



借助TCAD Sentaurus仿真软件,对漏源耐压为2000V时,不同JFET宽度中栅氧下0.01μm处的电势进行仿真,结果如图8所示,其中X表示沿着沟道方向的横向距离,Y表示栅氧下0.01μm处。3种JFET 宽度下,A点(JFET区中心点,栅氧下0.01μm处)的电势分别达到17.5、22.1和25V。JFET越宽,该点的电势越高,这也能够证明图6中的试验结果。


4.结语

通过对3300V SiC MOSFET栅氧可靠性的试验研究,发现不同芯片设计中,栅氧在MOSFET器件承受反偏电压时所承受的应力不同。该电应力随着反偏电压的增大及温度的升高而增大。针对这种现象,在高压SiC MOSFET器件可靠性评估中应额外考虑;此外,需要在设计及应用中对该隐患加以重视。


来源:变流与逆变技术


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SL87N120A 1200V 17mΩSiC MOSFET

本资料介绍了SL87N120A SiC MOSFET的特性,包括其高压、低导通电阻、高速和高工作结温等特点。该产品适用于EV主驱逆变器、光伏逆变器、电机驱动和高压DC/DC变换器等领域。

SLKOR  -  SIC场效应晶体管,SIC MOSFET,SL87N120A,开关电源,电机驱动,EV 主驱逆变器,光伏逆变器,高压 DC/DC 变换器

03 May 2020  - 数据手册  - Rev.1 代理服务 技术支持 采购服务
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品牌:格瑞宝电子

品类:Dual N-Channel MOSFET

价格:¥0.1527

现货: 6,012,000

品牌:格瑞宝电子

品类:P-Channel MOSFET

价格:¥0.1075

现货: 6,000,000

品牌:格瑞宝电子

品类:N-Channel MOSFET

价格:¥0.0917

现货: 4,515,560

品牌:格瑞宝电子

品类:N-Channel MOSFET

价格:¥0.0904

现货: 3,651,000

品牌:格瑞宝电子

品类:N-Channel MOSFET

价格:¥0.0884

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品牌:格瑞宝电子

品类:N-Channel MOSFET

价格:¥0.0899

现货: 3,056,990

品牌:格瑞宝电子

品类:N-Channel MOSFET

价格:¥0.0879

现货: 2,784,075

品牌:格瑞宝电子

品类:N-Channel MOSFET

价格:¥0.0834

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品牌:世晶半导体

品类:MOSFET

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品牌:世晶半导体

品类:MOSFET

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品牌:扬杰科技

品类:Mosfet

价格:¥1.0500

现货:500,000

品牌:捷捷微电

品类:MOSFET

价格:¥0.7000

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品牌:MCC

品类:MOSFET

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品牌:RENESAS

品类:MOSFET

价格:¥1.2134

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品牌:TOSHIBA

品类:MOSFET

价格:¥0.2034

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品牌:RENESAS

品类:MOSFET

价格:¥1.9902

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品牌:RENESAS

品类:MOSFET

价格:¥6.0884

现货:196,984

品牌:MCC

品类:MOSFET管

价格:¥0.3248

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品牌:RENESAS

品类:MOSFET

价格:¥0.9533

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品牌:RENESAS

品类:MOSFET

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低功耗测试

提供全面表征产品器件耗电特征及功耗波形、快速瞬态效应、电源优化、表征和仿真测试服务,使用直流电源分析仪测量精度达50µV,8nA,波形发生器带宽100kHz,输出功率300W,示波器200kHz,512 kpts

实验室地址: 深圳/苏州 提交需求>

射频无源器件定制

可定制射频隔离器/环行器(10M-40GHz),双工器/三工器(30MHz/850MHz-20GHz),滤波器(DC-20GHz),功分器,同轴负载,同轴衰减器等射频器件;可定制频率覆盖DC~110GHz,功率最高20KW。

最小起订量: 1 提交需求>

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授权代理品牌:接插件及结构件

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