本文就SiC-MOSFET的可靠性進(jìn)行說(shuō)明。這里使用的僅僅是ROHM的SiC-MOSFET產(chǎn)品相關(guān)的信息和數(shù)據(jù)。

ROHM SiC-MOSFET的可靠性

柵極氧化膜

ROHM針對(duì)SiC上形成的柵極氧化膜，通過(guò)工藝開(kāi)發(fā)和元器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了與Si-MOSFET同等的可靠性。

CCS TDDB（Constant Current Stress Time Dependent Dielectric Breakdown：恒流經(jīng)時(shí)絕緣擊穿）試驗(yàn)中，柵極氧化膜可靠性的指標(biāo)–QBD（Charge to Breakdown）為15～20C/cm2，與Si-MOSFET同等。

另外，在旨在確認(rèn)有關(guān)晶體缺陷的柵極氧化膜可靠性的HTGB（High Temperature Gate Bias：高溫柵極偏壓）試驗(yàn)（+22V、150℃）中，在裝置中未發(fā)生故障和特性波動(dòng)，順利通過(guò)1000小時(shí)測(cè)試。

閾值穩(wěn)定性（柵極正偏壓）

SiC上形成的柵極氧化膜界面并非完全沒(méi)有陷阱，因此當(dāng)柵極被長(zhǎng)時(shí)間施加直流的正偏壓時(shí)，陷阱捕獲電子而使閾值上升。

經(jīng)HTGB試驗(yàn)證實(shí)，閾值偏移非常小，在Vgs=+22V、150℃的條件下1000小時(shí)后，僅為0.2～0.3V。大多數(shù)陷阱在施加應(yīng)力初期的幾十個(gè)小時(shí)內(nèi)被填充，其后幾乎沒(méi)有變化，很穩(wěn)定。

閾值穩(wěn)定性（柵極負(fù)偏壓）

反之，當(dāng)柵極被長(zhǎng)時(shí)間施加直流的負(fù)偏壓時(shí)，空穴被捕獲，閾值下降。在HTGB試驗(yàn)中，負(fù)偏壓下的閾值變化程度大于正偏壓，在Vgs為-10V以上時(shí)閾值下降超過(guò)0.5V。

第二代MOSFET（SCT2［xxx［］系列、SCH2xxx］系列）中，柵極負(fù)偏壓的保證電壓為-6V。請(qǐng)注意，當(dāng)負(fù)偏壓大于-6V時(shí)，閾值可能進(jìn)一步降低。交流（正負(fù)）偏壓時(shí)，反復(fù)進(jìn)行對(duì)陷阱的充放電，因此偏移的影響很小。

體二極管的通電劣化

一般認(rèn)為SiC-MOSFET存在稱(chēng)為“體二極管的通電劣化”的故障模式。這是正向電流持續(xù)流過(guò)MOSFET的體二極管時(shí)，電子-空穴對(duì)的重新復(fù)合能量使稱(chēng)為“堆垛層錯(cuò)”的缺陷擴(kuò)大，影響到電流路徑，使導(dǎo)通電阻和體二極管的Vf上升的模式。

堆垛層錯(cuò)使發(fā)熱量增加，在某些情況下還會(huì)引起耐壓性能下降。因此，在用于發(fā)生向體二極管換流的應(yīng)用（逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器等）時(shí)，有可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。（※在SBD和MOSFET的第一象限工作中不會(huì)發(fā)生這類(lèi)問(wèn)題）

ROHM通過(guò)開(kāi)發(fā)不會(huì)擴(kuò)大堆垛層錯(cuò)的獨(dú)特工藝，成功地確保了體二極管通電的可靠性。在1200V　80Ω的第二代SiC MOSFET產(chǎn)品中，實(shí)施了對(duì)體二極管進(jìn)行1000小時(shí)的直流8A通電測(cè)試，結(jié)果如下。試驗(yàn)證明，所有特性如導(dǎo)通電阻，漏電流等都沒(méi)有變化。

短路耐受能力

由于SiC-MOSFET與Si-MOSFET相比具有更小的芯片面積和更高的電流密度，因此對(duì)于導(dǎo)致熱擊穿的短路的耐受能力往往比Si-MOSFET低。TO247封裝的1200 V級(jí)MOSFET中，Vdd=700V、Vgs=18V時(shí)的短路耐受時(shí)間約為8～10μs。隨著Vgs降低，飽和電流減小，所以耐受時(shí)間變長(zhǎng)。另外，Vdd較低時(shí)發(fā)熱量也會(huì)減少，所以耐受時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。

由于關(guān)斷SiC-MOSFET所需的時(shí)間非常短，所以當(dāng)Vgs的斷路速度很快時(shí)，急劇的dI/dt可能會(huì)引發(fā)較大的浪涌電壓。請(qǐng)使用逐漸降低柵極電壓的軟關(guān)斷功能等，并在沒(méi)有過(guò)電壓的情況下關(guān)斷。

dV/dt破壞

Si-MOSFET存在一種由于dV/dt過(guò)高而通過(guò)電容Cds流過(guò)瞬態(tài)電流，寄生雙極晶體管工作導(dǎo)致?lián)p壞的模式。ROHM的SiC-MOSFET由于寄生雙極晶體管的電流放大倍數(shù)hFE較低，因而不會(huì)發(fā)生電流放大，截至目前的調(diào)查中，即使在50kV/μs左右的工作條件下，也未發(fā)生這種損壞模式。關(guān)于體二極管快速恢復(fù)時(shí)的dV/dt，一般認(rèn)為由于SiC-MOSFET的快速恢復(fù)電流非常小，快速恢復(fù)時(shí)的dI/dt很小，所以dV/dt也不會(huì)增加，不易發(fā)生這種損壞模式。

宇宙射線引起的中子耐受能力

在高原應(yīng)用中，受宇宙射線影響，少數(shù)進(jìn)入地面的中子或重離子有時(shí)會(huì)引發(fā)半導(dǎo)體器件的單粒子效應(yīng)，這已成為需要解決的問(wèn)題。在對(duì)SiC-MOSFET（n=15）進(jìn)行的白色中子照射試驗(yàn)（能量：1～400MeV，由大阪大學(xué)核物理研究中心RCNP實(shí)施）中，在Vds=1200V（額定耐壓的100%）條件下實(shí)施1.45×109 neutrons/cm2/s的中子照射后，結(jié)果并未發(fā)生由于單粒子效應(yīng)引發(fā)的故障。海拔0m處的故障率為0.92FIT，海拔高度4000m處也僅為23.3FIT，故障率比同等級(jí)Si-IGBT和Si-MOSFET低3～4個(gè)數(shù)量級(jí)。耐壓實(shí)力值更高，并具有足夠的余量，從而可以在高原應(yīng)用或多個(gè)使用的應(yīng)用中，降低因宇宙射線引起的中子誘發(fā)故障的風(fēng)險(xiǎn)。

靜電擊穿耐受能力

SiC-MOSFET的優(yōu)點(diǎn)是芯片尺寸可以比Si-MOSFET小，但另一方面，靜電擊穿（ESD）耐受能力卻較低。因此，處理時(shí)需要采取充分的防靜電措施。

靜電對(duì)策舉例

?利用離子發(fā)生器除去人體、元器件、作業(yè)環(huán)境中的靜電（推薦）

?利用腕帶、接地除去人體、作業(yè)環(huán)境中的靜電（元器件帶電時(shí)無(wú)效，所以?xún)H此對(duì)策還不夠）

各種可靠性試驗(yàn)結(jié)果

以日本廣泛采用的JEITA（原“EIAJ”）ED-4701作為用來(lái)評(píng)估半導(dǎo)體的測(cè)試方法，其可靠性試驗(yàn)結(jié)果如下。從結(jié)果可以看出，ROHM的SiC-MOSFET具有足夠的可靠性。

審核編輯：郭婷