基于改进HTGB试验的SiC MOSFET栅极可靠性研究

碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件的栅极可靠性考核是一项重要的可靠性测试项目,然而现行测试表征均是针对硅(Si)器件制定的,并未充分考虑SiC器件的特性。这里以阈值电压为栅极老化表征参数,首先对SiCMOSFET器件进行传统静态高温栅偏(HTGB)试验,发现阈值电压弛豫效应对测量结果影响较大,于是对测量方法进行了改进;然后进行了更加贴近实际工况的动态HTGB试验,并研究了不同开关频率和占空比对测得结果的影响,结果表明开关频率越高阈值电压漂移越小,而占空比越高阈值电压漂移越大。进一步的,提出“有效偏压值”的概念来解释占空比对阈值电压漂移的影响机制,同时也建立了静态HTGB试验和动态HTGB试验的转换关系。

高温可靠性试验对SiC MOSFET特性参数的影响

SiC MOSFET可以提升电力电子器件的功率密度,在特高压直流输电、电动汽车等领域有较好的应用前景,但其特性参数的分散性会影响器件的长期稳定运行。对SiC MOSFET进行了168 h的高温栅偏(HTGB)和高温反偏(HTRB)试验。结果表明,试验前后器件的阈值电压和跨导变化较大,而导通电阻和极间电容变化较小。通过拟合分析得到试验前后器件导通电阻、阈值电压和跨导的变化率与各参数数值之间的拟合曲线。最后基于测试结果,提出了一种针对1200 V/20 A SiC MOSFET的筛选方法,以降低器件在高温可靠性试验前后的参数变化率,从而提升器件在长期高温环境中的可靠性。

SiC MOSFET栅极电参数退化机理及耦合关系

栅极一直是SiC MOSFET可靠性研究的重点,栅极老化过程中电参数之间的耦合关系对栅极可靠性研究有至关重要的作用。为此,搭建了能够同时监测阈值电压和栅极漏电流的高温栅偏(HTGB)试验平台。研究了HTGB下阈值电压和漏电流的退化趋势和影响,基于氧化层注入电荷量深入分析了两者之间的耦合关系。结果表明,热应力对载流子隧穿影响较为明显,对陷阱捕获的载流子影响相对较小,而场强则对两者均具有显著的影响。此外,提出了减小阈值电压漂移对SiC MOSFET均流特性影响的方法,指出了栅极漏电流下降现象的本质是栅极陷阱充电,并给出了栅极老化过程中漏电流失效基准值选取的方法。该研究结果为深入理解SiC MOSFET的栅极失效机理提供了理论指导。