Microchip子公司Microsemi器件設(shè)計(jì)工程師Amaury Gendron-Hansen

Microchip子公司Microsemi SiC技術(shù)開發(fā)總監(jiān)Avinash Kashyap

Microchip子公司Microsemi器件/開發(fā)工程總監(jiān)Dumitru Sdrulla

半導(dǎo)體市場(chǎng)的最新趨勢(shì)是廣泛采用碳化硅（SiC）器件，包括用于工業(yè)和汽車應(yīng)用的肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）和功率MOSFET。與此同時(shí)，由于可供分析的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)有限，這些器件的長(zhǎng)期可靠性成為一個(gè)需要解決的熱點(diǎn)問題。一些SiC供應(yīng)商已開始根據(jù)嚴(yán)格的工業(yè)和汽車（AEC-Q101）標(biāo)準(zhǔn)來認(rèn)證SiC器件，而另一些供應(yīng)商不但超出了這些認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的要求，還能為惡劣環(huán)境耐受性測(cè)試提供數(shù)據(jù)。為了使SiC器件在任務(wù)和安全關(guān)鍵型應(yīng)用中保持較高的普及率，應(yīng)將這種認(rèn)證和測(cè)試策略與特定的設(shè)計(jì)規(guī)則相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)高雪崩耐受性，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

市場(chǎng)快速增長(zhǎng)

SiC器件的市場(chǎng)份額預(yù)計(jì)將在未來幾年加速增長(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，最高工作溫度通常可達(dá)175 °C，很少超過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，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

作為示例，Microchip通過子公司Microsemi在其適用于700V、1200V和1700V電壓節(jié)點(diǎn)的SiC SBD和MOSFET上進(jìn)行了惡劣環(huán)境耐受性測(cè)試。測(cè)試表明，高水平的非鉗位感應(yīng)開關(guān)（UIS）耐受性對(duì)于保證器件的長(zhǎng)期可靠性至關(guān)重要。同時(shí)還表明，在UIS測(cè)試期間，高瞬態(tài)電流流過反向偏置器件，并驅(qū)動(dòng)其進(jìn)入雪崩擊穿狀態(tài)。在高電流和高電壓的共同作用下，會(huì)產(chǎn)生大量熱量且溫度急劇上升。耐用功率MOSFET的局部最高溫度可達(dá)到500°C，遠(yuǎn)高于典型溫度額定值。

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)過測(cè)試。不過，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)試過程中，通過改變電感值來調(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，這反過來會(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。舉例來說，Microsemi 1200V/40 mΩ MOSFET使用雪崩耐受性規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過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，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50 μA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Microsemi 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

堅(jiān)持采用SiC

在工業(yè)和汽車市場(chǎng)中采用SiC器件時(shí)，需滿足嚴(yán)格的長(zhǎng)期可靠性要求。滿足這些要求的最佳策略是使產(chǎn)品通過汽車AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，并對(duì)尚未標(biāo)準(zhǔn)化的極端環(huán)境耐受性測(cè)試進(jìn)行特性分析。通過應(yīng)用設(shè)計(jì)規(guī)則來實(shí)現(xiàn)高雪崩耐受性同樣十分重要。這些措施一起使用時(shí)，不僅有助于確保SiC器件在快速普及的道路上繼續(xù)前進(jìn)，同時(shí)還能提供這些應(yīng)用所需的長(zhǎng)期可靠性。