SiC MOSFET高温栅氧可靠性研究

碳化硅SiC(silicon carbide)具有优良的电学和热学特性,是一种前景广阔的宽禁带半导体材料。SiC材料制成的功率MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)非常适合应用于大功率领域,而高温栅氧可靠性是大功率MOSFET最需要关注的特性之一。通过正压高温栅偏试验和负压高温栅偏试验对比了自研SiC MOSFET和国外同规格SiC MOSFET的高温栅氧可靠性。负压高温栅偏试验结果显示自研SiC MOSFET与国外SiC MOSFET的阈值电压偏移量基本相等,阈值电压偏移量百分比最大相差在4.52%左右。正压高温栅偏试验的结果显示自研SiC MOSFET的阈值电压偏移量较小,与国外SiC MOSFET相比,自研SiC MOSFET的阈值电压偏移量百分比最大相差11%。自研器件占优势的原因是在SiC/SiO2界面处引入了适量的氮元素,钝化界面缺陷的同时,减少了快界面态的产生,使总的界面态密度被降到最低。

SiC MOSFET栅极氧化层缺陷检测

SiC以其耐高压,高频,高温和高功率密度的材料特性,广泛应用于高效电能转换领域。而其栅氧化层可靠性是评价器件可靠性的重要部分。本文根据SIC MOSFET结构特性和栅氧化层缺陷的形成机理,对一批应力筛选实验失效的样品进行研究,提出了一种针对SIC-MOSFET的栅氧化层缺陷检测方法。方法使用了正面和背面失效EMMI定位了相同缺陷位置,同时利用聚焦离子束分析等方法找到了栅氧化层物理损伤点,对碳化硅晶圆级别异物缺陷完成了成分分析,验证了晶圆级栅极氧化层异物缺陷对于栅氧化层质量和可靠性的影响,对于SiC MOSFET的早期失效研究有着重要的参考作用。

基于EMMI定位的GaN HEMT耐正向可靠性研究

GaN HEMT器件在高温栅偏压(HTGB)应力下会出现势垒退化现象,并进一步引发器件在射频工作下的不稳定和失效问题。使用微光显微镜(EMMI)作为主要工具,对器件的HTGB退化问题进行了研究。讨论了不同电偏置条件下器件EMMI发光的分布和形成机理,并对比了器件在HTGB试验前后EMMI发光图像的变化。HTGB后器件在反偏电场下出现明显新增EMMI亮点,对亮点的微区分析定位到栅下有外延位错对应的局部烧毁点。研究表明,延伸至栅下的外延位错会构成漏电通道,对HTGB下的退化和失效存在贡献。

碳化硅MOSFET的高温栅偏特性

针对碳化硅(SiC)MOSFET存在的栅氧可靠性问题,对其展开高温栅偏(HTGB)试验研究。以阈值电压(V_(TH))和体二极管通态压降(V_(SD))作为特征参数,设计搭建应力及测试试验平台,研究SiC MOSFET在高温栅偏应力下的特征参数退化特性,并对短期恢复下特征参数的不稳定现象以及长期恢复对特征参数的影响进行了分析。试验结果表明,SiC MOSFET的VTH和VSD均受负向和正向高温栅偏的影响,并能够产生相反方向的参数漂移。撤去应力后存在恢复现象,使电参数受可恢复部分偏移量的影响具有不稳定性,且经过长期室温储存后仍存在进一步的恢复。

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。

1200V SiC MOSFET晶体管的高温可靠性研究

高温可靠性是目前限制SiC MOSFET晶体管高温应用的关键问题之一。本文介绍了基于国内碳化硅器件工艺平台研制的1 200 V SiC MOSFET器件的直流特性,并通过高温栅偏(HTGB)和高温反偏(HTRB)试验对器件高温可靠性进行测试分析。试验结果表明:所研制的1 200 V SiC MOSFET器件在经过168 h的HTGB和HTRB可靠性试验后,所有测试器件的击穿电压>1 200 V,阈值电压偏移量<15%,导通电阻偏移量<15%,显示出优良的器件鲁棒性,也初步证明了国产SiC MOSFET器件的设计、工艺及其研制的可行性。

氮退火对SiC MOSFET栅源电压漂移的影响

为了准确地表征4H-SiC MOSFET经过高温栅偏(HTGB)测试后的栅源电压漂移,优化氮退火工艺条件以改善MOSFET栅源电压的稳定性,在n型4H-SiC(0001)外延片上制备了横向扩散MOSFET(LDMOSFET)和纵向扩散MOSFET(VDMOSFET)。对栅氧化层采用不同温度、时间和气氛进行氮退火,并对制备的MOSFET进行了HTGB测试,探讨了栅压应力大小、应力时间、温度对栅源电压漂移的影响。结果表明:相比LDMOSFET,VDMOSFET可以更有效地表征栅源电压漂移趋势;氮退火对栅源电压正向漂移影响较小;NO退火后增加高温N_(2)退火、提高NO退火的温度和增加NO退火的时间均会引起VDMOSFET栅源电压负向漂移量增加;当栅压应力为-16 V、应力时间为500 s时,1200℃、70 min NO退火的VDMOSFET的栅源电压漂移比1250℃、40 min NO退火的小0.1~0.3 V。

Influence of epitaxial layer structure and cell structure on electrical performance of 6.5 kV SiC MOSFET

Silicon carbide(SiC)material features a wide bandgap and high critical breakdown field intensity.It also plays an important role in the high efficiency and miniaturization of power electronic equipment.It is an ideal choice for new power electronic devices,especially in smart grids and high-speed trains.In the medium and high voltage fields,SiC devices with a blocking voltage of more than 6.5 kV will have a wide range of applications.In this paper,we study the influence of epitaxial material properties on the static characteristics of 6.5 kV SiC MOSFET.6.5 kV SiC MOSFETs with different channel lengths and JFET region widths are manufactured on three wafers and analyzed.The FN tunneling of gate oxide,HTGB and HTRB tests are performed and provide data support for the industrialization process for medium/high voltage SiC MOSFETs.

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。

3300V SiC MOSFET栅氧可靠性研究

碳化硅SiC(silicon carbide)功率器件因其卓越的材料性能,表现出巨大的应用前景,其中金属-氧化物-场效应晶体管MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)是最重要的器件。3300 V SiC MOSFET可应用于轨道交通和智能电网等大功率领域,能显著提高效率,降低装置体积。在这些应用领域中,对功率器件的可靠性要求很高,为此,针对自主研制的3300 V SiC MOSFET开展栅氧可靠性研究。首先,按照常规的评估技术对其进行了高温栅偏HTGB(high temperature gate bias)试验;其次,针对高压SiC MOSFET的特点进行了漏源反偏时栅氧电热应力的研究。试验结果表明,在高压SiC MOSFET中,漏源反偏时栅氧的电热应力较大,在设计及使用时应尤为注意。

高压大功率器件用高温栅偏测试装置研制

为准确评估硅IGBT和碳化硅MOSFET等高压大功率器件不同电应力及热应力条件下的栅极可靠性,研制了实时测量皮安级栅极漏电流的高温栅偏(high temperature gate bias,HTGB)测试装置。此外,该测试装置具备阈值电压在线监测功能,可以更好地监测被测器件的状态以进行可靠性评估和失效分析。为初步验证测试装置的各项功能和可靠性,运用该测试装置对商用IGBT器件在相同温度应力不同电应力条件下进行分组测试。初步测试结果表明老化初期漏电流逐渐降低,最终漏电流大小与电压应力有良好的正相关性,栅偏电压越大,漏电流越大。该测试装置实现了碳化硅MOSFET器件和硅IGBT器件对高温栅偏的测试需求且适用于各种类型的封装。