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SiC提高肖特基二极管和MOSFET的雪崩耐受性

作者:立深鑫电子        发布时间:08-14        点击:
摘要 : 半导体市场的最新趋势是广泛采用碳化硅(SiC)器件,包括用于工业和汽车应用的肖特基势垒二极管(SBD)和功率MOSFET。与此同时,由于可供分析的现场数据有限,这些器件的长期可靠性成为一个需要解决的热点问题。
半导体市场的最新趋势是广泛采用碳化硅(SiC)器件,包括用于工业和汽车应用的肖特基势垒二极管(SBD)和功率MOSFET。与此同时,由于可供分析的现场数据有限,这些器件的长期可靠性成为一个需要解决的热点问题。一些SiC供应商已开始根据严格的工业和汽车(AEC-Q101)标准来认证SiC器件,而另一些供应商不但超出了这些认证标准的要求,还能为恶劣环境耐受性测试提供数据。为了使SiC器件在任务和安全关键型应用中保持较高的普及率,应将这种认证和测试策略与特定的设计规则相结合来实现高雪崩耐受性,这一点至关重要。


市场快速增长

SiC器件的市场份额预计将在未来几年加速增长,主要推动因素是运输行业的电气化。SiC管芯将成为车载充电器和动力传动牵引系统等应用的模块中的基本构件。由于雪崩击穿的临界电场较高,因此高压SiC器件的外形比同类硅器件小得多,并且可以在更高的开关频率下工作。SiC的热性能也十分出色,它不但拥有良好的散热性能,还能在高温下工作。实际上,最高工作温度通常可达175 °C,很少超过200 °C,主要限制为装配工艺(焊接金属和封装材料)。SiC器件本质上比硅器件更高效,切换到SiC管芯可以极大减少模块中单个管芯的数量。

随着SiC器件从利基市场转向主流市场,与大规模生产爬坡效应相关的主要挑战正逐渐被克服。为轻松实现这种转变,制造厂正在建立可与现存硅生产线共用工具的SiC生产线。这种安排可有效降低SiC管芯的成本,因为这样做可与Si生产线分担开销。随着晶圆供应商大幅度提高产能,近来在晶圆供货方面的限制已不再是问题。由于4H-SiC衬底和外延生长的不断改进,现在可提供晶体缺陷密度极低的高质量6英寸晶圆。根据电气参数测试可知,晶圆质量越高,SiC器件的产量就越高。

但请务必记住,由于这些器件仅仅上市几年,因此其现场可靠性数据十分有限。此外,由于SiC器件自身也面临着一系列挑战,因此其认证比硅器件的认证困难得多。在SiC器件中,反向偏置条件下的电场高出将近一个数量级。如果不采用适当的设计规则,这种高电场很容易损坏栅极氧化层。SiC栅极氧化层界面附近的陷阱密度也高得多。结果是,由于陷阱带电,因此老化测试期间可能会出现不稳定性。一直以来,我们都专注于提高长期可靠性,而取得的成果也令人欣慰,最近的报告显示器件已通过严格的工业和汽车(AEC-Q101)标准认证。

除此之外,SiC供应商也已开始采取下一步行动,即为恶劣环境耐受性测试提供数据。

恶劣环境耐受性测试

UIS的耐受性与生产线前端和后端的外延质量和制造工艺密切相关。即使外延中的微小晶体缺陷或与工艺相关的缺陷也可能构成薄弱环节,导致器件在UIS测试期间过早失效。这就解释了为什么对产品系列耐受性的全面分析中应当包含单脉冲和重复UIS(RUIS)测试。

单脉冲测试用作筛选测试,用于识别UIS耐受性较低的器件。为了保证产品数据手册中的UIS额定值,所有器件在交付给客户之前都应经过测试。不过,器件在现场投入使用期间可能会经历多次UIS事件。为了分析逐渐磨损的特性,需要重复测试。要深入分析特性,应对器件施加大量脉冲,常见做法是100,000次冲击。

在UIS脉冲期间,被测器件中的电流连续降低,而电压基本保持恒定,但会因热效应而略微变化。UIS脉冲的能量由脉冲开始时的最大电流和负载的电感定义。在测试过程中,通过改变电感值来调节能量。最大电流保持恒定;它等于SBD的正向电流额定值,也等于MOSFET的漏极电流额定值的三分之二。

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