- 頭條華電學者揭示不同老化試驗方法下的SiC MOSFET失效機理2021-05-28 作者：陳杰 鄧二平 等 | 來源： | 點擊率：導語SiC MOSFET中的界面陷阱會造成閾值電壓漂移，為探究和對比SiC MOSFET在不同老化試驗方法下的失效機理和失效表征參數的變化規律，新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學）、華電（煙臺）功率半導體技術研究院有限公司的研究人員陳杰、鄧二平、趙子軒、吳宇軒、黃永章，在2020年第24期《電工技術學報》上撰文，對SiC MOSFET在不同導通模式下進行功率循環試驗，基于不同導通模式下的特性分析，重點對比正向MOSFET模式和體二極管模式，提出了一種判斷準則以及相應的功率循環試驗方法，可以將閾值電壓漂移對試驗結果的影響最小化，并在老化試驗過程中實現結溫、通態壓降和熱阻的在線測量。 研究結果表明，在兩種模式下失效方式均為鍵合線老化，但是老化后的電熱反饋機制不同，造成其退化規律和壽命不同，相同熱力條件下體二極管模式下的壽命約為正向MOSFET模式下的兩倍。
近年來，隨著碳化硅（SiC）在材料生長和器件加工方面取得長足的進步，基于SiC材料的功率半導體器件在眾多領域展現出越來越多的應用，例如金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（MOSFET）。SiC MOSFET以其高臨界擊穿場強、高開關頻率、耐高溫等突出優點，更加適合高壓、高頻、高溫等應用場合。隨著SiC MOSFET的逐步商業應用，其長期運行可靠性問題開始受到了學術界和工業界的重視。
盡管SiC材料能夠耐受高溫，理論上可以達到500℃，但是受限于封裝技術等方面的制約，目前SiC器件仍采用傳統Si器件的封裝技術，無法發揮其高溫工作的特性，市面上SiC MOSFET產品的最高工作溫度均沒有超過200℃，因此可以認為，封裝技術是限制SiC器件在高溫下應用的主要原因。同時，由于制造成本高，SiC芯片面積較小，這將意味著相對較高的功率密度和工作溫度。而且較之于Si芯片，SiC芯片的楊氏模量更大（大約是前者的3倍）。這些問題將導致SiC器件在工作過程中更容易出現因熱應力產生的封裝材料老化問題，可靠性問題更加嚴峻。
功率循環試驗是研究熱應力加速老化試驗條件下可靠性的有效方法，是進行器件失效機理分析和壽命評估最有效的手段。通過給被測器件施加相應的負載電流使得器件結溫升高達到指定結溫，然后切斷負載電流使其降溫，如此反復升溫和降溫過程以達到使器件老化的目的，也稱為主動溫度循環。
目前，主流功率循環試驗主要讓器件工作在導通模式，依靠導通損耗來產生結溫波動。對于絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和二極管這種單一導通模式的器件，功率循環試驗方法是確定的。MOSFET由于元胞結構的特點，存在正向MOSFET模式、反向MOSFET模式和體二極管模式三種導通模式。
不同導通模式下器件的特性不同，導致功率循環試驗方法不同，由此產生的失效機理和壽命可能會存在差異。有學者對MOSFET器件的功率循環試驗方法也沒有明確規定，并且提到可以使用體二極管模式，由此造成不同試驗方法之間具有等效性的錯覺，然而目前并沒有相關研究對此進行分析。
另外，傳統的基于Si器件的功率循環試驗方法和失效標準可能不適用于新型的SiC MOSFET器件。眾所周知，SiC MOSFET區別于Si MOSFET的一個重要特征是SiC/SiO2界面存在著大量的界面陷阱。界面陷阱能夠捕獲溝道載流子，造成閾值電壓漂移，漂移程度很大程度上取決于施加的柵極電壓。
在正向柵極偏壓下，界面缺陷捕獲溝道中的電子造成閾值電壓正向漂移，而在反向柵極偏壓下，界面缺陷捕獲溝道中的空穴造成閾值電壓反向漂移。閾值電壓漂移最直接的影響就是造成芯片通態電阻的變化，進而影響通態壓降和結溫，給SiC MOSFET功率循環試驗增加了難度。
華北電力大學的研究人員對SiC MOSFET在不同導通模式下進行了功率循環試驗，探究和對比了其在不同老化試驗方法下的失效機理和失效表征參數的變化規律。
圖1 試驗裝置實物
首先，基于器件在不同導通模式下的特性分析，重點對比正向MOSFET模式和體二極管模式，其中體二極管模式下的功率循環方法簡單且容易實現，而正向MOSFET模式下，為了將閾值電壓漂移的影響最小化，提出了一種判斷準則以及相應的功率循環試驗方法，并在老化試驗過程中實現結溫、通態壓降和熱阻的在線測量。
最后，基于實驗結果，分析了不同功率循環試驗方法對器件的老化規律、失效機理及壽命的影響，為SiC MOSFET的功率循環試驗老化方法提供了理論指導，并揭示了影響SiC MOSFET封裝可靠性的主要因素。
SiC MOSFET憑借其優異的電熱特性，正逐漸投入市場，長期運行的可靠性成為關注的重點，功率循環試驗是考核器件可靠性最重要的老化試驗。MOSFET具有三種導通模式，分別對應三種不同的功率循環測試方法。華北電力大學的研究人員對SiC MOSFET在正向MOSFET模式和體二極管模式下進行功率循環試驗，對比分析不同試驗方法對器件的老化規律、失效機理及壽命的影響，從實驗結果中得到如下結論：
1）小電流下體二極管壓降可以作為溫敏電參數用于SiC MOSFET的結溫測量，應用該方法時柵極需要加一定的負壓使溝道區被徹底關斷。
2）閾值電壓漂移幾乎與柵極電壓的大小和持續時間成正比，當正向偏壓的大小和持續時間的乘積與反向偏壓的大小和持續時間的乘積相同時，可以使得閾值電壓漂移最小化，隔離其對鍵合線失效表征參數通態壓降的影響。
3）正向MOSFET模式下通態壓降具有正溫度特性，當鍵合線出現老化之后，電熱正反饋機制會加速老化過程，而二極管模式下通態壓降具有負溫度特性，由此產生的負反饋機制能夠抑制老化進程，對老化起到一定的補償作用。
4）對于具有電熱負反饋機制的二極管模式，傳統標準中通態壓降超過初始值5%即定義為失效，會低估器件的功率循環壽命，當考慮有效循環壽命，在相同熱力條件下，二極管模式下的壽命約為正向MOSFET模式下的兩倍。
以上研究成果發表在2020年第24期《電工技術學報》，論文標題為“不同老化試驗方法下SiC MOSFET失效機理分析”，作者為陳杰、鄧二平、趙子軒、吳宇軒、黃永章。
