碳化硅MOSFET的栅极应力测试

了解半导体器件的失效模式是制定筛选、鉴定和可靠性测试的关键，这些测试可以确保器件在数据表规定的限制范围内运行，并满足汽车和其他电力转换应用中对每十亿个部件的日益严格的失效率要求。本文将讨论对碳化硅MOSFET器件进行的栅极开关应力(GSS)测试。

碳化硅MOSFET中的直流与交流栅极应力效应

碳化硅MOSFET的栅氧化层可靠性多年来一直是研究的重点。研究发现，氧化物/碳化硅界面会导致阈值电压(Vth)、导通状态电阻(RDS(on))等关键器件参数的显著变化及早期失效。栅氧化处理的改进，包括氮化处理，显著提高了在标准可靠性和鉴定测试下栅氧化层的内在可靠性。这些测试中，有一些源自硅器件测试，包括：

·时间依赖性介质击穿测试，通常在加速条件下对电容器进行恒定应力，以推导出额定条件下的失效时间曲线。

·高温栅偏置鉴定，对封装器件进行恒定的栅偏置，达到最大栅极和温度规格，同时漏源电压(VDS)为0 V。

·偏压-温度-不稳定性(BTI)可靠性测试，在恒定偏压下进行。

在直流偏置条件下，碳化硅MOSFET的Vth漂移通常大于硅MOSFET。此外，许多研究致力于在应用特定条件下测试这种漂移，这种条件通常是器件切换的状态。这些切换瞬态可能导致栅源电压(VGS)的过冲/欠冲，受多个因素的影响，例如开启和关闭的过渡速率、内部器件电容以及可能设计在内的外部元件(如栅电阻)或寄生效应(如键合线电感)。

GSS测试的提议是让栅极在器件的最大指定温度下经历重复的切换周期，同时保持VDS为0 V。该测试现已成为JEDEC JEP195指导方针的一部分。

对GSS行为的研究表明：

·AC循环导致的Vth漂移依赖于切换周期数(Ncycles)，可以表示为∆Vth = Ao × Ncycles^n，其中指数n会有所变化。

·在大约107 Ncycles以下，退化遵循常数n ≈ 0.16，这通常是在DC-BTI应力下表现出的。

·超过108 Ncycles时，n增加到≈ 0.32，这种行为在DC应力下未见到。该漂移的表现如图1所示。

图1

·应力时间超过≈ 1e11 Ncycles时，显示出饱和的较低漂移速率，n ≈ 0.1。

·Vth的漂移与最大和最小VGS切换水平有很大关系，越来越负的VGS_low值会导致更强的漂移。通常建议在关闭碳化硅MOSFET时使用负VGS，尤其是在硬切换条件下，以减少由于米勒电容耦合导致的误开启风险，并降低开关损耗。

·GSS导致的Vth漂移在很大程度上是不可恢复的，与DC-BTI应力导致的漂移不同。

从测量的角度来看，高频测试确保在合理的时间内实现足够的循环次数，并观察到GSS漂移。例如，500 kHz的切换频率可以在1000小时内实现超过1e12次循环。在某些应用中，如太阳能逆变器，这可能不足以模拟预期的20年使用寿命，但可以在合理的信心下进行外推。2这种不可恢复的特性也使得在零件从应力烤箱中取出后，进行外部Vth测量变得更容易。

GSS与ASS的比较

一个重要的问题是，GSS测试是否准确反映了应用切换应力(ASS)下的应力。Gómez等人试图通过图2所示的测试设置回答这个问题。ASS配置为升压转换器，但其他类似设置用于规范化其他测试条件，尤其是栅驱动。

图2

使用的器件是额定为1200 V的碳化硅MOSFET。测试使用的一些条件为：

·切换频率 = 100 kHz

·VGS_high = 18 V，VGS_low = -8 V

·栅电阻(RG)= 4.7 Ω

·对于ASS，Vcc = 400 V，负载电流(iL)为1.2 A，∆iL(峰值-峰值)为1.6 A

在周期性间隔内进行了外部Vth测量。每种情况下的漂移结果如图3所示。

图3

受ASS影响的被测器件表现出更大的Vth漂移，升压转换器中的低侧和高侧器件显示出相似的趋势。为了确定原因，作者检查了栅极开关波形并进行了仿真。

开启波形如图4所示。尽管10%到90%的切换时间看起来相似，但在ASS期间最大dVGS/dt斜率更高，并表现出更多的振荡行为。

图4

在这些测试中，电容充电和放电期间的内部瞬态电流分布在亚阈值(sub-Vth)区域是不同的，这被怀疑是导致Vth漂移差异的原因。

MOSFET的米勒栅漏电容(CGD)和输出电容(CDS)是VDS电压的函数。这在图5中有所体现，并展示了这些电流。

图5

在GSS测试中，VDS为0 V。从CGD路径中电流流动的基本推导，得出VDS切换瞬态的影响：

这可以解释两个测量之间瞬态最大dVGS/dt的差异。在实践中，进行GSS可靠性测试要简单得多，而改进ASS测试中的最大dVGS/dt匹配的解决方案将是对应用中Vth漂移的更好预测。当然，结果在很大程度上也依赖于外部元件，例如RG和电感路径。RG对Vth漂移影响的示例如图6所示。

图6

GSS测试是对碳化硅MOSFET整体可靠性检查的重要组成部分。Vth漂移导致最终应用中栅极过驱动减少而产生更高的RDS(on)。

在如太阳能逆变器等应用中，器件可能经历超过1e13次切换周期，准确预测器件行为中的这种漂移对于确保整体系统的正常功能至关重要。将GSS栅波形与实际ASS条件匹配可以确保这一点。