【導讀】作為目前碳化矽MOSFET型號最豐富的國產廠商派恩傑，不僅在功率器件性能上達到國際一流廠商水平，在AC BTI可(ke)靠(kao)性(xing)上(shang)更(geng)是(shi)超(chao)越(yue)國(guo)際(ji)一(yi)流(liu)廠(chang)商(shang)。總(zong)裁(cai)黃(huang)興(xing)博(bo)士(shi)用(yong)高(gao)性(xing)能(neng)和(he)高(gao)可(ke)靠(kao)性(xing)的(de)產(chan)品(pin)證(zheng)明(ming)派(pai)恩(en)傑(jie)是(shi)國(guo)產(chan)碳(tan)化(hua)矽(gui)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)的(de)佼(jiao)佼(jiao)者(zhe)，展(zhan)現(xian)了(le)超(chao)高(gao)的(de)碳(tan)化(hua)矽(gui)設(she)計(ji)能(neng)力(li)和(he)工(gong)藝(yi)水(shui)平(ping)。

作為目前碳化矽MOSFET型號最豐富的國產廠商派恩傑，不僅在功率器件性能上達到國際一流廠商水平，在AC BTI可(ke)靠(kao)性(xing)上(shang)更(geng)是(shi)超(chao)越(yue)國(guo)際(ji)一(yi)流(liu)廠(chang)商(shang)。總(zong)裁(cai)黃(huang)興(xing)博(bo)士(shi)用(yong)高(gao)性(xing)能(neng)和(he)高(gao)可(ke)靠(kao)性(xing)的(de)產(chan)品(pin)證(zheng)明(ming)派(pai)恩(en)傑(jie)是(shi)國(guo)產(chan)碳(tan)化(hua)矽(gui)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)的(de)佼(jiao)佼(jiao)者(zhe)，展(zhan)現(xian)了(le)超(chao)高(gao)的(de)碳(tan)化(hua)矽(gui)設(she)計(ji)能(neng)力(li)和(he)工(gong)藝(yi)水(shui)平(ping)。

背景

zaigonglvqijianbandaotilingyu，yuelaiyuexuyaogaopingaogonglvnaigaowendegonglvqijian，suizheshijianfazhan，guicailiaozaigonglvqijianlingyuyijingdadaolecailiaoxingnengdejixian，tanhuaguipingjieqicailiaodeyouyuetexingkaishidafangyicai，ranerxincailiaodailaidekekaoxingwentishijixujiejuede。qizhongAC BTI（Bias Temperature Instabilities）即交流高溫偏置不穩定性是碳化矽新材料帶來的一大問題。

碳化矽的生產製造具有很多挑戰
，比如碳化矽晶圓表麵更粗糙，直徑更小，硬度接近金剛石，透明度更高；比如需要開發新的製造工藝，高溫摻雜激活退火、歐姆接觸形成和新的界麵鈍化方案等。為了成功認證汽車級或工業級可靠性標準
，必須了解和評估與傳統矽技術不同的SiC MOSFET的新特性
，並且解決此類可靠性問題。SiC 特有的挑戰在某種程度上與柵極氧化物可靠性有關，（1）早期柵極氧化物擊穿；（2）閾值電壓不穩定性。

第一個可靠性問題可通過智能篩選
、TDDB（Time-Dependent Dielectric Breakdown）試驗和馬拉鬆試驗
，智能篩選措施可以將SiC MOSFET降低至與Si MOSFET相同等級的低故障率，此前已通過《TDDB試驗》證明派恩傑SiC MOSFET壽命遠超20年
，通過《馬拉鬆試驗》證明在正常運行20年的時間內派恩傑SiC MOSFET失效PPM為個位數。

第二個可靠性問題，閾值電壓不穩定性，分為PBTI、NBTI和AC BTI。直流的閾值電壓不穩定性即PBTI和NBTI使用傳統的可靠性測試方法HTGB（High Temperature Gate Bias）即可測試，經過驗證派恩傑SiC MOSFET的PBTI和NBTI可靠性達到國際一流廠商水平。而AC BTI由於業界尚未有明確的測試方法，是一項較為前沿的研究。本文講述AC BTI測試下的閾值電壓不穩定性問題。

如今SiC MOSFET已經大量在電動汽車和光伏等領域使用，說明目前的SiC MOSFET可靠性已遠超十年前的水平，達到了車規級和工業級的可靠性水平。

物理機理

閾值電壓不穩定性分為非本征閾值電壓不穩定性和本征閾值電壓不穩定性，通常與宏觀缺陷或雜質無關。

非本征閾值電壓不穩定性是由於離子汙染物（例如鈉或鉀）可(ke)能(neng)在(zai)器(qi)件(jian)製(zhi)造(zao)期(qi)間(jian)或(huo)在(zai)正(zheng)常(chang)器(qi)件(jian)操(cao)作(zuo)期(qi)間(jian)從(cong)外(wai)部(bu)進(jin)入(ru)柵(zha)極(ji)氧(yang)化(hua)物(wu)。防(fang)止(zhi)移(yi)動(dong)離(li)子(zi)進(jin)入(ru)柵(zha)氧(yang)化(hua)層(ceng)或(huo)在(zai)器(qi)件(jian)加(jia)工(gong)過(guo)程(cheng)中(zhong)清(qing)除(chu)它(ta)們(men)的(de)程(cheng)序(xu)對(dui)於(yu)Si MOSFET技術已經非常成熟。檢測和消除的專有技術和經驗可以直接應用於SiC MOSFET。

另ling一yi方fang麵mian，本ben征zheng閾yu值zhi電dian壓ya不bu穩wen定ding性xing與yu界jie麵mian的de物wu理li性xing質zhi有you關guan


，即ji界jie麵mian態tai和he邊bian界jie陷xian阱jing的de密mi度du以yi及ji它ta們men與yu半ban導dao體ti襯chen底di交jiao換huan電dian荷he載zai流liu子zi的de能neng力li。盡jin管guanSiC是唯一擁有高質量原生氧化物的寬帶隙半導體，但SiC/SiO2界麵的缺陷密度比Si/SiO2界麵高兩個數量級左右。

這不僅是由於更寬的帶隙和更窄的帶隙對電介質的偏移，而且還因為空位和碳相關的點缺陷僅存在於SiC。為了鈍化這些新的缺陷類型，必須開發替代的氧化後鈍化方案。不同的界麵特性會導致SiC MOSFETdechuanshutexingchuxianxindetezheng。daduoshuzhexiexintexingdoukeyitongguojianhuadewulimoxinglailijie，zheyangkeyigenghaodilijieguochengxiangguanxing
，bingyouzhuyuzhengqueshezhihepinggushoumingceshidejieguo。

試驗方法

AC BTI測試方法，功率器件DUT Vgs=-5/20V，ƒ=10k~1MHz，DS短接，DUT加熱至175℃，見圖1。

圖1. 測試原理

電路采用多顆隔離驅動IC驅動多顆功率器件，需要合理Layout驅動電路
，采用較短的連接線等，避免由於尖峰對器件帶來的影響。在考慮以上因素後
，驅動電阻設置稍大電阻值保證Vgs波形的尖峰較小，Vgs實測波形見圖2。

圖2. Vgs波形

試驗方法采用MSM (Measure-Stree-Measure) 測試方法，見圖3。其中Vstress time=1~200ks。

圖3. MSM測試方法

由於碳化矽與二氧化矽界麵缺陷密度更高，碳化矽MOSFET的Vth存在更大的瞬態漂移值

，經過大量的實驗驗證Vth瞬態漂移值不會對電路造成太大的影響
，因此需要準確測量到Vth的永久漂移值。

使用JEDEC標準JEP184中的Vth滯後方法測試，見圖4。其中Vgs=20V
，-Vgs=-20V，t_precon=100ms，t_float=10ms，t_meas=2.5ms。Vth值以Vth_Down為準，因為采用了預施加壓力後，Vth的瞬態漂移值已消除。采用此方法進行測試
，實現了可重複快速準確測試Vth值，與初始值比較可得到Vth的永久漂移值。

圖4. 滯後Vth測量方法

試驗結果

試驗條件：Vgs=-5/20V
，DS Short，ƒ=100kHz
，占空比δ=50%，T=175℃；器件1#~4#為派恩傑公司1200V80mΩ SiC MOSFET-P3M12080K3，器件5#為C公司同規格等級平麵柵SiC MOSFET，器件6#為I公司同規格等級溝槽柵SiC MOSFET。試驗結果Vth永久漂移值對比圖見圖5， Rdson變化率對比圖見圖6
，實線圓點表示1000h數據，虛線表示外推至20年變化值。

圖5. AC BTI VTH永久漂移值對比

1000h的AC BTI試驗Vth永久漂移值結果：派恩傑器件1#~4#的Vth永久漂移值均小於0.1V，C公司器件5#的Vth永久漂移值為0.1~0.3V，I公司器件6#的Vth永久漂移值為0.2~1.6V。可以看出派恩傑器件Vth永久漂移值均較小且一致性較好，優於平麵柵的C公司器件。溝槽柵的I公司器件Vth永久漂移值最大，得出結論溝槽柵的SiC MOSFET功率器件Vth永久漂移值大於平麵柵的SiC MOSFET。

派恩傑器件Vth永久漂移值幾乎不隨開關次數變大
，沒有明顯的增長，C公司器件與I公司器件Vth永久漂移值隨開關次數符合冪律關係。C公司器件Vth永久漂移值外推至20年可能會達到0.6V左右。I公司器件Vth永久漂移值外推至20年可能會達到4V左右。

圖6. AC BTI Rdson變化率對比

1000h的AC BTI試驗Rdson變化率結果：派恩傑器件1#~4#的Rdson變化率均小於1%


，C公司器件的Rdson變化率為0.7%~4.6%，I公司器件的Rdson變化率為2.6%~40%。可以看出派恩傑器件1#~4#的Rdson變化率均較小，且不隨時間推移變化
，性能穩定，幾乎達到矽MOSFET可靠性水平，明顯優於C公司與I公司器件可靠性水平。

派恩傑器件Rdson不隨開關次數變化
，C公司器件Rdson變化率外推至20年可能會達到10%左右
，I公司器件Rdson變化率外推至20年可能會超過100%左右。

考慮到功率器件的實際應用工況會更加複雜
，可靠性問題可能會出現更為惡劣的情況，功率器件在實際工況的參數漂移可能會更大。

應用影響

若ruo功gong率lv器qi件jian的de性xing能neng不bu穩wen定ding發fa生sheng漂piao移yi
，輕qing則ze降jiang低di轉zhuan換huan器qi效xiao率lv
，重zhong則ze導dao致zhi轉zhuan換huan器qi炸zha機ji。器qi件jian性xing能neng的de漂piao移yi會hui降jiang低di器qi件jian本ben身shen的de使shi用yong壽shou命ming

，甚shen至zhi可ke能neng會hui導dao致zhi一yi些xie災zai難nan性xing的de後hou果guo。特te別bie是shi在zai功gong率lv芯xin片pian並bing聯lian領ling域yu，比bi如ru模mo塊kuai
，芯xin片pian的de參can數shu發fa生sheng漂piao移yi
，可ke能neng導dao致zhi並bing聯lian不bu均jun流liu
，模mo塊kuai更geng容rong易yi損sun壞huai或huo者zhe壽shou命ming更geng短duan。從cong上shang述shu可ke靠kao性xing試shi驗yan結jie果guo來lai看kan，派pai恩en傑jie的deSiC MOSFET性能是最穩定的，最適合用於並聯的。

結論

作為一種更接近實際應用的可靠性測試方法，AC BTI能夠更加準確的評估SiC MOSFET芯片的可靠性，是SiC MOSFET必不可少的可靠性測試項目之一。在同等試驗條件下
，平麵柵的SiC MOSFET的AC BTI可靠性優於溝槽柵的可靠性，派恩傑SiC MOSFET的AC BTI可靠性優於國際一流廠商C公司和I公司，派恩傑的SiC MOSFET功率器件設計和工藝能力優於國際一流廠商C公司和I公司。派恩傑碳化矽MOSFET是全球碳化矽功率器件可靠性最高和性能最穩定的碳化矽功率器件之一。

參考文獻

（文章來源：派恩傑半導體）

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