市場(chǎng)快速增長(cháng)

 

SiC器件的市場(chǎng)份額預計將在未來(lái)幾年加速增長(cháng)，主要推動(dòng)因素是運輸行業(yè)的電氣化。SiC管芯將成為車(chē)載充電器和動(dòng)力傳動(dòng)牽引系統等應用的模塊中的基本構件。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(lèi)硅器件小得多，并且可以在更高的開(kāi)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?？蛇_175 °C，很少超過(guò)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)管芯的數量。

 

隨著(zhù)SiC器件從利基市場(chǎng)轉向主流市場(chǎng)，與大規模生產(chǎn)爬坡效應相關(guān)的主要挑戰正逐漸被克服。為輕松實(shí)現這種轉變，制造廠(chǎng)正在建立可與現存硅生產(chǎn)線(xiàn)共用工具的SiC生產(chǎn)線(xiàn)。這種安排可有效降低SiC管芯的成本，因為這樣做可與Si生產(chǎn)線(xiàn)分擔開(kāi)銷(xiāo)。隨著(zhù)晶圓供應商大幅度提高產(chǎn)能，近來(lái)在晶圓供貨方面的限制已不再是問(wèn)題。由于4H-SiC襯底和外延生長(cháng)的不斷改進(jìn)，現在可提供晶體缺陷密度極低的高質(zhì)量6英寸晶圓。根據電氣參數測試可知，晶圓質(zhì)量越高，SiC器件的產(chǎn)量就越高。

 

但請務(wù)必記住，由于這些器件僅僅上市幾年，因此其現場(chǎng)可靠性數據十分有限。此外，由于SiC器件自身也面臨著(zhù)一系列挑戰，因此其認證比硅器件的認證困難得多。在SiC器件中，反向偏置條件下的電場(chǎng)高出將近一個(gè)數量級。如果不采用適當的設計規則，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。結果是，由于陷阱帶電，因此老化測試期間可能會(huì )出現不穩定性。一直以來(lái)，我們都專(zhuān)注于提高長(cháng)期可靠性，而取得的成果也令人欣慰，最近的報告顯示器件已通過(guò)嚴格的工業(yè)和汽車(chē)（AEC-Q101）標準認證。

 

除此之外，SiC供應商也已開(kāi)始采取下一步行動(dòng)，即為惡劣環(huán)境耐受性測試提供數據。

 

惡劣環(huán)境耐受性測試

 

作為示例，Microchip通過(guò)子公司Microsemi在其適用于700V、1200V和1700V電壓節點(diǎn)的SiC SBD和MOSFET上進(jìn)行了惡劣環(huán)境耐受性測試。測試表明，高水平的非鉗位感應開(kāi)關(guān)（UIS）耐受性對于保證器件的長(cháng)期可靠性至關(guān)重要。同時(shí)還表明，在UIS測試期間，高瞬態(tài)電流流過(guò)反向偏置器件，并驅動(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到500°C，遠高于典型溫度額定值。

 

UIS的耐受性與生產(chǎn)線(xiàn)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)的缺陷也可能構成薄弱環(huán)節，導致器件在UIS測試期間過(guò)早失效。這就解釋了為什么對產(chǎn)品系列耐受性的全面分析中應當包含單脈沖和重復UIS（RUIS）測試。

 

單脈沖測試用作篩選測試，用于識別UIS耐受性較低的器件。為了保證產(chǎn)品數據手冊中的UIS額定值，所有器件在交付給客戶(hù)之前都應經(jīng)過(guò)測試。不過(guò)，器件在現場(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，需要重復測試。要深入分析特性，應對器件施加大量脈沖，常見(jiàn)做法是100,000次沖擊。

 

在UIS脈沖期間，被測器件中的電流連續降低，而電壓基本保持恒定，但會(huì )因熱效應而略微變化（圖1）。UIS脈沖的能量由脈沖開(kāi)始時(shí)的最大電流和負載的電感定義。在測試過(guò)程中，通過(guò)改變電感值來(lái)調節能量。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測試設置以及電流和電壓的波形

 

RUIS測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所示的測試設置中，使用熱電偶傳感器監視器件的溫度，并調整脈沖重復頻率以獲得恒定的讀數。為了有助于冷卻器件，應將其安裝在散熱器上風(fēng)扇下方的位置。

 

可實(shí)現高雪崩耐受性的器件設計

 

除了采用適當的測試過(guò)程之外，一流的UIS耐受性還需要使用下面的一組設計規則：

 

●   高壓端接設計有足夠高的固有擊穿電壓，以確保有效區域首先進(jìn)入雪崩狀態(tài)。在這種情況下，能量會(huì )分散到整個(gè)有效區域上，而不是在狹窄的端接中，后一種情況會(huì )導致過(guò)早失效。

●   MOSFET的JFET區域中的電場(chǎng)屏蔽對于保護柵極氧化層非常關(guān)鍵。應當謹慎優(yōu)化用于界定JFET區域的P型摻雜阱的設計和注入方案，以便提供足夠的屏蔽而不會(huì )嚴重影響導通狀態(tài)電阻。

●   利用具有高導熱率的鈍化材料為熱量通過(guò)管芯的頂部耗散提供了路徑。

 

使用這些規則設計的肖特基二極管和功率MOSFET在惡劣環(huán)境耐受性測試中均表現良好。對SBD的測試持續到單脈沖和重復UIS失效為止，同時(shí)還監視了多個(gè)直流參數。這項測試的結果表明，器件的正向電壓和反向泄漏電流十分穩定，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域產(chǎn)生，這種趨勢不難解釋。隨著(zhù)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(guò)來(lái)會(huì )降低器件中的溫度。由于重復測試的原因，UIS的耐受性會(huì )系統性降低，但程度很小。與單脈沖UIS相比，差異小于10%。多個(gè)UIS脈沖沒(méi)有強累加效應，預計SBD在現場(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)區域的比能

 

MOSFET惡劣環(huán)境耐受性特性分析應重點(diǎn)關(guān)注柵極氧化層的長(cháng)期可靠性，這無(wú)需對器件施壓至失效。作為替代，可使用由100,000個(gè)能量相對較低的脈沖組成的重復測試。舉例來(lái)說(shuō)，Microsemi 1200V/40 mΩ MOSFET使用雪崩耐受性規則進(jìn)行設計，通過(guò)100 mJ脈沖進(jìn)行測試，其單脈沖UIS額定值為2.0J。大多數直流參數不受影響；不過(guò)，由于該測試對柵極氧化層施壓，因此會(huì )觀(guān)察到柵極泄漏的適度增加。為了確定長(cháng)期可靠性是否受到損害，我們對器件施加了隨時(shí)間變化的介電擊穿。圖3報告了對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則開(kāi)發(fā)的Microsemi SiC器件以及其他三家領(lǐng)先供應商提供的器件。

 

圖3：四家供應商提供的1200V MOSFET的TDDB失效時(shí)間

 

堅持采用SiC

 

在工業(yè)和汽車(chē)市場(chǎng)中采用SiC器件時(shí)，需滿(mǎn)足嚴格的長(cháng)期可靠性要求。滿(mǎn)足這些要求的最佳策略是使產(chǎn)品通過(guò)汽車(chē)AEC-Q101標準認證，并對尚未標準化的極端環(huán)境耐受性測試進(jìn)行特性分析。通過(guò)應用設計規則來(lái)實(shí)現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前進(jìn)，同時(shí)還能提供這些應用所需的長(cháng)期可靠性。

 

作者：

 

Microchip子公司Microsemi器件設計工程師Amaury Gendron-Hansen

 

Microchip子公司MicrosemiSiC技術(shù)開(kāi)發(fā)總監Avinash Kashyap

 

Microchip子公司Microsemi器件/開(kāi)發(fā)工程總監Dumitru Sdrulla

 

 

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