市場快速增長

 

SiC器件的市場份額預計將在未來幾年加速增長
，主要推動因素是運輸行業的電氣化。SiC管芯將成為車載充電器和動力傳動牽引係統等應用的模塊中的基本構件。由於雪崩擊穿的臨界電場較高，因此高壓SiC器件的外形比同類矽器件小得多
，並且可以在更高的開關頻率下工作。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。實際上
，最高工作溫度通常可達175 °C，很少超過200 °C
，主要限製為裝配工藝（焊接金屬和封裝材料）。SiC器件本質上比矽器件更高效，切換到SiC管芯可以極大減少模塊中單個管芯的數量。

 

隨著SiC器(qi)件(jian)從(cong)利(li)基(ji)市(shi)場(chang)轉(zhuan)向(xiang)主(zhu)流(liu)市(shi)場(chang)，與(yu)大(da)規(gui)模(mo)生(sheng)產(chan)爬(pa)坡(po)效(xiao)應(ying)相(xiang)關(guan)的(de)主(zhu)要(yao)挑(tiao)戰(zhan)正(zheng)逐(zhu)漸(jian)被(bei)克(ke)服(fu)。為(wei)輕(qing)鬆(song)實(shi)現(xian)這(zhe)種(zhong)轉(zhuan)變(bian)
，製(zhi)造(zao)廠(chang)正(zheng)在(zai)建(jian)立(li)可(ke)與(yu)現(xian)存(cun)矽(gui)生(sheng)產(chan)線(xian)共(gong)用(yong)工(gong)具(ju)的(de)SiC生產線。這種安排可有效降低SiC管芯的成本，因為這樣做可與Si生產線分擔開銷。隨著晶圓供應商大幅度提高產能，近來在晶圓供貨方麵的限製已不再是問題。由於4H-SiC襯底和外延生長的不斷改進，現在可提供晶體缺陷密度極低的高質量6英寸晶圓。根據電氣參數測試可知，晶圓質量越高
，SiC器件的產量就越高。

 

但請務必記住，由於這些器件僅僅上市幾年，因此其現場可靠性數據十分有限。此外，由於SiC器件自身也麵臨著一係列挑戰
，因此其認證比矽器件的認證困難得多。在SiC器件中，反向偏置條件下的電場高出將近一個數量級。如果不采用適當的設計規則

，這種高電場很容易損壞柵極氧化層。SiC柵(zha)極(ji)氧(yang)化(hua)層(ceng)界(jie)麵(mian)附(fu)近(jin)的(de)陷(xian)阱(jing)密(mi)度(du)也(ye)高(gao)得(de)多(duo)。結(jie)果(guo)是(shi)，由(you)於(yu)陷(xian)阱(jing)帶(dai)電(dian)，因(yin)此(ci)老(lao)化(hua)測(ce)試(shi)期(qi)間(jian)可(ke)能(neng)會(hui)出(chu)現(xian)不(bu)穩(wen)定(ding)性(xing)。一(yi)直(zhi)以(yi)來(lai)
，我(wo)們(men)都(dou)專(zhuan)注(zhu)於(yu)提(ti)高(gao)長(chang)期(qi)可(ke)靠(kao)性(xing)
，而(er)取(qu)得(de)的(de)成(cheng)果(guo)也(ye)令(ling)人(ren)欣(xin)慰(wei)，最(zui)近(jin)的(de)報(bao)告(gao)顯(xian)示(shi)器(qi)件(jian)已(yi)通(tong)過(guo)嚴(yan)格(ge)的(de)工(gong)業(ye)和(he)汽(qi)車(che)（AEC-Q101）標準認證。

 

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

 

惡劣環境耐受性測試

 

作為示例

，Microchip通過子公司Microsemi在其適用於700V、1200V和1700V電壓節點的SiC SBD和MOSFET上進行了惡劣環境耐受性測試。測試表明，高水平的非鉗位感應開關（UIS）耐受性對於保證器件的長期可靠性至關重要。同時還表明，在UIS測ce試shi期qi間jian，高gao瞬shun態tai電dian流liu流liu過guo反fan向xiang偏pian置zhi器qi件jian
，並bing驅qu動dong其qi進jin入ru雪xue崩beng擊ji穿chuan狀zhuang態tai。在zai高gao電dian流liu和he高gao電dian壓ya的de共gong同tong作zuo用yong下xia，會hui產chan生sheng大da量liang熱re量liang且qie溫wen度du急ji劇ju上shang升sheng。耐nai用yong功gong率lvMOSFET的局部最高溫度可達到500°C，遠高於典型溫度額定值。

 

UISdenaishouxingyushengchanxianqianduanhehouduandewaiyanzhilianghezhizaogongyimiqiexiangguan。jishiwaiyanzhongdeweixiaojingtiquexianhuoyugongyixiangguandequexianyekenenggouchengboruohuanjie，daozhiqijianzaiUIS測試期間過早失效。這就解釋了為什麼對產品係列耐受性的全麵分析中應當包含單脈衝和重複UIS（RUIS）測試。

 

單脈衝測試用作篩選測試，用於識別UIS耐受性較低的器件。為了保證產品數據手冊中的UIS額定值
，所有器件在交付給客戶之前都應經過測試。不過，器件在現場投入使用期間可能會經曆多次UIS事件。為了分析逐漸磨損的特性，需要重複測試。要深入分析特性，應對器件施加大量脈衝


，常見做法是100,000次衝擊。

 

在UIS脈衝期間，被測器件中的電流連續降低，而電壓基本保持恒定，但會因熱效應而略微變化（圖1）。UIS脈衝的能量由脈衝開始時的最大電流和負載的電感定義。在測試過程中，通過改變電感值來調節能量。最大電流保持恒定；它等於SBD的正向電流額定值，也等於MOSFET的漏極電流額定值的三分之二。

 

圖1：UIS脈衝期間的RUIS測試設置以及電流和電壓的波形

 

RUISceshijuyoutedingdeyueshutiaojian，zhuyaomudeshifangzhiyigemaichongyuxiayigemaichongdewendufashengjiju。zaishijiaxinmaichongzhiqian，wubiquebaoqijianwendujiejinhuanjingwendu。zaitu1suoshideceshishezhizhong，shiyongredianouchuanganqijianshiqijiandewendu，bingtiaozhengmaichongzhongfupinlvyihuodehengdingdedushu。weileyouzhuyulengqueqijian，yingjiangqianzhuangzaisanreqishangfengshanxiafangdeweizhi。

 

可實現高雪崩耐受性的器件設計

 

除了采用適當的測試過程之外

，一流的UIS耐受性還需要使用下麵的一組設計規則：

 

●   高(gao)壓(ya)端(duan)接(jie)設(she)計(ji)有(you)足(zu)夠(gou)高(gao)的(de)固(gu)有(you)擊(ji)穿(chuan)電(dian)壓(ya)，以(yi)確(que)保(bao)有(you)效(xiao)區(qu)域(yu)首(shou)先(xian)進(jin)入(ru)雪(xue)崩(beng)狀(zhuang)態(tai)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，能(neng)量(liang)會(hui)分(fen)散(san)到(dao)整(zheng)個(ge)有(you)效(xiao)區(qu)域(yu)上(shang)
，而(er)不(bu)是(shi)在(zai)狹(xia)窄(zhai)的(de)端(duan)接(jie)中(zhong)，後(hou)一(yi)種(zhong)情(qing)況(kuang)會(hui)導(dao)致(zhi)過(guo)早(zao)失(shi)效(xiao)。

●   MOSFET的JFET區域中的電場屏蔽對於保護柵極氧化層非常關鍵。應當謹慎優化用於界定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嚴重影響導通狀態電阻。

●   利用具有高導熱率的鈍化材料為熱量通過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在惡劣環境耐受性測試中均表現良好。對SBD的測試持續到單脈衝和重複UISshixiaoweizhi，tongshihaijianshileduogezhiliucanshu。zhexiangceshidejieguobiaoming
，qijiandezhengxiangdianyahefanxiangxieloudianliushifenwending，erfanxiangjichuandianyazelveyouzengjia，zhekeguiyinyuSiC上表麵附近的自由載流子俘獲。即將失效之前的脈衝能量如圖2所示。UIS耐nai受shou性xing隨sui器qi件jian額e定ding電dian壓ya的de增zeng大da而er提ti高gao。鑒jian於yu大da部bu分fen熱re量liang在zai外wai延yan區qu域yu產chan生sheng，這zhe種zhong趨qu勢shi不bu難nan解jie釋shi。隨sui著zhe外wai延yan厚hou度du因yin額e定ding電dian壓ya的de增zeng大da而er增zeng加jia，每mei單dan位wei體ti積ji產chan生sheng的de熱re量liang會hui減jian少shao，這zhe反fan過guo來lai會hui降jiang低di器qi件jian中zhong的de溫wen度du。由you於yu重zhong複fu測ce試shi的de原yuan因yin，UIS的耐受性會係統性降低，但程度很小。與單脈衝UIS相比，差異小於10%。多個UIS脈衝沒有強累加效應
，預計SBD在現場投入使用期間將保持高耐受性。

 

圖2：700V
、1200V和1700V SiC SBD失效前每個活動區域的比能

 

MOSFET惡劣環境耐受性特性分析應重點關注柵極氧化層的長期可靠性
，這無需對器件施壓至失效。作為替代
，可使用由100,000個能量相對較低的脈衝組成的重複測試。舉例來說
，Microsemi 1200V/40 mΩ MOSFET使用雪崩耐受性規則進行設計，通過100 mJ脈衝進行測試，其單脈衝UIS額定值為2.0J。大多數直流參數不受影響
；不bu過guo，由you於yu該gai測ce試shi對dui柵zha極ji氧yang化hua層ceng施shi壓ya，因yin此ci會hui觀guan察cha到dao柵zha極ji泄xie漏lou的de適shi度du增zeng加jia。為wei了le確que定ding長chang期qi可ke靠kao性xing是shi否fou受shou到dao損sun害hai，我wo們men對dui器qi件jian施shi加jia了le隨sui時shi間jian變bian化hua的de介jie電dian擊ji穿chuan。圖tu3報告了對各種器件的柵極施加50 µA直流電流時的失效時間，具體包括使用公司的雪崩耐受性規則開發的Microsemi SiC器件以及其他三家領先供應商提供的器件。

 

圖3：四家供應商提供的1200V MOSFET的TDDB失效時間

 

堅持采用SiC

 

在工業和汽車市場中采用SiC器件時，需滿足嚴格的長期可靠性要求。滿足這些要求的最佳策略是使產品通過汽車AEC-Q101標(biao)準(zhun)認(ren)證(zheng)，並(bing)對(dui)尚(shang)未(wei)標(biao)準(zhun)化(hua)的(de)極(ji)端(duan)環(huan)境(jing)耐(nai)受(shou)性(xing)測(ce)試(shi)進(jin)行(xing)特(te)性(xing)分(fen)析(xi)。通(tong)過(guo)應(ying)用(yong)設(she)計(ji)規(gui)則(ze)來(lai)實(shi)現(xian)高(gao)雪(xue)崩(beng)耐(nai)受(shou)性(xing)同(tong)樣(yang)十(shi)分(fen)重(zhong)要(yao)。這(zhe)些(xie)措(cuo)施(shi)一(yi)起(qi)使(shi)用(yong)時(shi)，不(bu)僅(jin)有(you)助(zhu)於(yu)確(que)保(bao)SiC器件在快速普及的道路上繼續前進
，同時還能提供這些應用所需的長期可靠性。

 

作者：

 

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

 

Microchip子公司MicrosemiSiC技術開發總監Avinash Kashyap

 

Microchip子公司Microsemi器件/開發工程總監Dumitru Sdrulla

 

 

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