SiC MOSFET在實(shí)際應(yīng)用柵極開關(guān)運(yùn)行條件下的參數(shù)變化

《SiC MOSFET在實(shí)際應(yīng)用柵極開關(guān)運(yùn)行條件下的參數(shù)變化（AC BTI）》

多年來，英飛凌一直在進(jìn)行超越標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量認(rèn)證方法的應(yīng)用相關(guān)試驗(yàn)，以期為最終應(yīng)用確立可靠的安全運(yùn)行極限。閾值電壓和導(dǎo)通電阻在實(shí)際應(yīng)用運(yùn)行條件下的漂移，是我們深入研究的一個(gè)“SiC特有”的重點(diǎn)問題。我們將SiC MOSFET在高頻率雙極柵極開關(guān)條件下和高溫下的應(yīng)力稱之為“AC偏壓溫度不穩(wěn)定性（BTI）試驗(yàn)”。請注意，這一新的“AC BTI試驗(yàn)”是對標(biāo)準(zhǔn)化的“DC BTI試驗(yàn)”進(jìn)行重要延伸后所得的結(jié)果，DC BTI試驗(yàn)在前一章中已經(jīng)討論過，通常用于進(jìn)行Si和SiC MOSFET技術(shù)的質(zhì)量認(rèn)證。我們決定在SiC MOSFET的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量認(rèn)證體系中加入這些新型的應(yīng)力試驗(yàn)是因?yàn)?，事?shí)表明，在特定的交流柵極應(yīng)力條件下，參數(shù)漂移可能超過施加標(biāo)準(zhǔn)直流柵極應(yīng)力后的典型值。這與DC BTI始終被視為“最壞情況”的Si技術(shù)是不同的。

為了增進(jìn)對這一新的漂移現(xiàn)象的認(rèn)識，也為了指導(dǎo)客戶在設(shè)計(jì)中如何避免可能危險(xiǎn)的臨界運(yùn)行條件，英飛凌已在2018年發(fā)布了一份描述AC BTI的基本特點(diǎn)的應(yīng)用說明（AN），并闡述了它在典型的應(yīng)用環(huán)境中可能造成的后果。2019年，我們根據(jù)最新的發(fā)現(xiàn)對該應(yīng)用說明進(jìn)行了完善和擴(kuò)展。本章內(nèi)容可以算作英飛凌的應(yīng)用說明的補(bǔ)充資料，旨在更深入地了解AC BTI現(xiàn)象與其他因素的關(guān)系。

AC BTI建模

英飛凌在各種運(yùn)行條件下開展了廣泛的試驗(yàn)，以期建立一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)的預(yù)測模型，用于描述閾值電壓（VTH）在典型的SiC MOSFET應(yīng)用中的變化，這些變化跟應(yīng)力施加時(shí)間（tS）、柵極偏壓下限（VGL）、柵極偏壓上限（VGH）、開關(guān)頻率（f）和運(yùn)行溫度（T）等相關(guān)。

在高M(jìn)OSFET開關(guān)頻率（比如500kHz）下測量閾值電壓是特別有挑戰(zhàn)的，因?yàn)樗粌H要求電氣參數(shù)的分辨率高，還要求測量延時(shí)達(dá)到微秒級。為此，英飛凌已開發(fā)出定制的高端應(yīng)力/試驗(yàn)設(shè)備，可用于在AC柵極應(yīng)力試驗(yàn)期間進(jìn)行快速的原位參數(shù)監(jiān)測。

AC BTI的特點(diǎn)之一是，在我們研究過的所有器件中閾值電壓漂移都是正的。閾值電壓增大可降低MOS溝道過驅(qū)動(dòng)電壓（VGH-VTH），從而使得器件的溝道電阻（Rch）變大。

在公式（2）中，L代表溝道長度，W代表溝道寬度，μn代表自由電子遷移率，Cox代表柵極氧化層電容，VGH代表柵極電壓上限，而VTH代表器件的閾值電壓。在高功率器件中，溝道電阻只是器件的總導(dǎo)通電阻的一個(gè)分量。

在公式（3）中，Rch代表溝道電阻，RJFET代表結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）電阻，Repi代表漂移帶的外延層電阻，而RSub代表高摻雜SiC襯底的電阻。溝道電阻（?Rch）因?yàn)闁艠O過驅(qū)動(dòng)電壓（?VTH）降低而增大，最終使得器件的總導(dǎo)通電阻（?RON）略微變大。總導(dǎo)通電阻增大可能導(dǎo)致靜態(tài)損耗更大，進(jìn)而導(dǎo)致運(yùn)行期間的結(jié)溫略微升高。為了防止在125°C下進(jìn)行10年的連續(xù)開關(guān)操作期間，發(fā)生可能導(dǎo)致導(dǎo)通電阻出現(xiàn)潛在臨界漂移（>15%，在數(shù)據(jù)表的最大額定值中已經(jīng)考慮）的運(yùn)行條件，英飛凌的應(yīng)用說明提供了指導(dǎo)圖表來說明推薦的柵極驅(qū)動(dòng)電壓和頻率。這些指導(dǎo)圖表依據(jù)的是在深入研究和測量AC BTI的基本特點(diǎn)之后創(chuàng)建的退化模型。

AC BTI的基本特點(diǎn)

本段主要借助一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來揭示和闡明AC BTI的基本特點(diǎn)。漂移模型與數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，以得到半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖禂?shù)。所示的擬合曲線對應(yīng)用于計(jì)算AN中柵極電壓指導(dǎo)圖表的漂移模型。

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與開關(guān)頻率（f）的關(guān)系

AC BTI取決于開關(guān)事件次數(shù)，且AC VTH漂移符合冪律：

因此，更恰當(dāng)?shù)淖龇ㄊ抢L制AC漂移與開關(guān)次數(shù)的關(guān)系圖，而不是像DC BTI的典型做法一樣繪制漂移與應(yīng)力施加時(shí)間的關(guān)系圖。在圖12中，我們比較了兩種不同的開關(guān)頻率。當(dāng)開關(guān)次數(shù)相同時(shí)，所看到的漂移是相似（不是完全一樣）的，它與總應(yīng)力施加時(shí)間無關(guān)。正是因?yàn)檫@個(gè)原因，相比在相對較低的開關(guān)頻率下運(yùn)行的應(yīng)用（比如驅(qū)動(dòng)），在較高開關(guān)頻率下運(yùn)行的應(yīng)用（比如太陽能）更容易受到AC BTI的影響。此外，由于受影響的主要是靜態(tài)損耗，所以AC BTI漂移對應(yīng)用中的總損耗的最終影響，取決于給定的導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗之比。在某個(gè)特定的應(yīng)用中，如果開關(guān)損耗在總損耗中占據(jù)絕對比例，那么即使開關(guān)頻率更大，導(dǎo)通損耗的增加對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響也不大。

圖12.在加速的柵極電壓（VGH>18V；VGL<-5V）和溫度（TS>150°C）條件下測量的AC VTH漂移。記錄所用的總應(yīng)力施加時(shí)間相同、但應(yīng)力施加頻率（50和500kHz）不同時(shí)的數(shù)據(jù)。AC VTH漂移顯示出與開關(guān)次數(shù)成正比的冪律式增長。漂移模型用虛線表示。

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與柵極偏壓下限（VGL）的關(guān)系

AC BTI還有個(gè)特點(diǎn)是，它與柵極偏壓下限（VGL）的關(guān)系。事實(shí)上，如果SiC MOSFET長時(shí)間在在關(guān)斷狀態(tài)施加負(fù)柵極偏壓的模式下運(yùn)行，AC BTI只會導(dǎo)致VTH漂移增大。如果器件是在VGL=0V時(shí)關(guān)斷的，則獲得的VTH漂移顯示出典型的DC BTI漂移行為，而不依賴于開關(guān)次數(shù)。在關(guān)斷狀態(tài)下較大的負(fù)柵極電壓可通過以下方式影響VTH漂移（參見圖13）：當(dāng)開關(guān)次數(shù)較少時(shí)，VTH漂移因?yàn)槌谠バ?yīng)而較少；但是，當(dāng)開關(guān)次數(shù)較多時(shí)，VTH漂移通常因?yàn)樨?fù)關(guān)態(tài)柵極電壓更高導(dǎo)致漂移斜率更大（冪律指數(shù)）而變大。

圖13.短時(shí)間內(nèi)施加大量脈沖（f=500kHz）獲得的加速條件下，以及上限柵極電壓（VGH>+18V）和溫度（TS>150°C）條件下，測量的AC VTH漂移。記錄使用不同柵極電壓下限時(shí)的數(shù)據(jù)。當(dāng)使用的柵極電壓下限高于-2.5V時(shí)（比如-1V），VTH漂移的幅度和斜率類似于或低于DC BTI。當(dāng)施加更負(fù)的下限柵極電壓時(shí)（比如-5V），AC BTI在經(jīng)過大量的開關(guān)周期后開始占據(jù)主導(dǎo)地位。這是由AC BTI的漂移斜率（冪律指數(shù)）變大導(dǎo)致的。漂移模型（虛線）與實(shí)測數(shù)據(jù)的吻合度非常好。

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與柵極偏壓上限（VGH）及溫度（T）的關(guān)系

AC BTI與通態(tài)柵極電壓（VGH）和運(yùn)行溫度（T）的關(guān)系與DC BTI類似。如圖14和圖15所示，在較高的VGH等級和高溫下，VTH漂移值更大。但是，這并不一定意味著，這種運(yùn)行條件對于應(yīng)用而言更為關(guān)鍵。

當(dāng)VGH等級較高時(shí)，可以觀察到BTI更大。但是，由于柵極驅(qū)動(dòng)電壓變大，總導(dǎo)通電阻對VTH變化變得不那么敏感。因此，盡管VTH漂移變大，但RON在VGH值較大時(shí)的相對變化可能反倒變小。這使得相比15V的通態(tài)電壓，在18V的通態(tài)電壓下運(yùn)行得到的曲線更為緩和。

高溫通常也可導(dǎo)致BTI變大。另外，在高溫下，JFET和漂移區(qū)（epi）電阻相對于溝道電阻變得更加明顯。因此，盡管VTH漂移變大，但RON在溫度更高時(shí)的相對變化可能同樣更小。

圖14.在加速頻率（f=500kHz）和溫度（TS>150°C）條件下測量的AC VTH漂移。記錄在典型的柵極電壓下限和不同的柵極電壓上限時(shí)的數(shù)據(jù)。施加較大的柵極電壓上限導(dǎo)致實(shí)測數(shù)據(jù)發(fā)生近似平行的漂移。漂移模型（虛線）與實(shí)測數(shù)據(jù)的吻合度非常好。

圖15.在加速頻率（f=500kHz）和柵極電壓上限（VGH>18V）條件下測量的AC VTH漂移。記錄在典型的柵極電壓下限和不同應(yīng)力溫度下的數(shù)據(jù)。溫度較高時(shí)的應(yīng)力導(dǎo)致實(shí)測數(shù)據(jù)發(fā)生平行漂移。漂移模型（虛線）符合實(shí)測數(shù)據(jù)的趨勢，但在本試驗(yàn)中稍微高估了漂移的絕對值。

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漂移飽和

我們進(jìn)行了近1年的開關(guān)頻率加速AC柵極應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，以研究在典型應(yīng)用開關(guān)條件下的長期AC BTI。在這些長期實(shí)驗(yàn)中觀察到的漂移表明，在壽命終期實(shí)測的AC BTI漂移可能低于通過漂移模型預(yù)測的漂移，因?yàn)槠菩?yīng)已開始飽和。

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與負(fù)載電流的關(guān)系

為完成評估，在各種負(fù)載電流下進(jìn)行了幾項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。所觀察到的VTH和RON漂移基本上符合AC BTI漂移模型，這表明負(fù)載電流本身并不會改變觀測到的漂移行為。但也發(fā)現(xiàn)，柵極信號過沖和下沖——在逆變器應(yīng)用中很常見——可能影響AC BTI。這一點(diǎn)在英飛凌的第二版應(yīng)用說明中已有說明，其中還就如何正確地評估和抑制應(yīng)用中的過沖和下沖給出具體的指導(dǎo)。

原文標(biāo)題：【跨年技術(shù)巨獻(xiàn)】SiC MOSFET在實(shí)際應(yīng)用柵極開關(guān)運(yùn)行條件下的參數(shù)變化（AC BTI）

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