【導(dǎo)讀】近年來，因為新能源汽車、光伏及儲能、各種電源應(yīng)用等下游市場的驅(qū)動，碳化硅功率器件取得了長足發(fā)展。更快的開關(guān)速度，更好的溫度特性使得系統(tǒng)損耗大幅降低，效率提升，體積減小，從而實現(xiàn)變換器的高效高功率密度化。但是，像碳化硅這樣的寬帶隙（WBG）器件也給應(yīng)用研發(fā)帶來了設(shè)計挑戰(zhàn)，因而業(yè)界對于碳化硅MOSFET浪涌電流、短路能力、柵極可靠性等仍心存疑慮，對于平面柵和溝槽柵的選擇和權(quán)衡也往往迷惑不清。
碳化硅MOSFET性能如何？
650V-1200V電壓等級的SiC MOSFET商業(yè)產(chǎn)品已經(jīng)從Gen 2發(fā)展到了Gen3，隨著技術(shù)的發(fā)展，元胞寬度持續(xù)減小，比導(dǎo)通電阻持續(xù)降低，器件性能超越Si器件，浪涌電流、短路能力、柵氧可靠性等可靠性問題備受關(guān)注。那么SiC MOSFET體二極管能抗多大的浪涌電流？其短路能力如何？如何保證柵極可靠性？
SiC MOSFET的體二極管抗浪涌電流大小與芯片的大小成正比。派恩杰半導(dǎo)體采用自己搭建的10ms正弦半波浪涌極限測試平臺和10us方波半波浪涌極限測試平臺，對其1200V的SiC MOSFET P3M12080K3進行抽樣測試10ms IFSM >120A, 10usIFSM>1100A。
圖1 10ms浪涌極限測試平臺
圖2 10us浪涌極限測試平臺
至于短路能力，相較于Si IGBT，SiC MOSFET電流密度更高且柵極氧化層較薄，其短路能力要弱于Si IGBT，但其依然有一定的短路能力。
下表是派恩杰半導(dǎo)體部分產(chǎn)品短路能力：
表1 1200V/650V MOSFET器件短路耐量
派恩杰半導(dǎo)體針對柵極的可靠性是嚴格按照AEC-Q101標準進行，在柵極分別加負壓和正壓（-4V/+15V）溫度175℃下進行HTGBR和HTRB實驗1000h無產(chǎn)品失效。除了常規(guī)AEC-Q101中要求的1000h小時實驗，派恩杰半導(dǎo)體對于柵極壽命進行了大量研究。由于SiC/SiO2界面存在比Si/SiO2更大數(shù)量級的雜質(zhì)缺陷，因此SiC MOSFET通常擁有更高的早期失效概率。為了提高SiC MOSFET的柵極可靠性，通過篩選識別并出早期失效非常重要。派恩杰半導(dǎo)體通過TDDB實驗建立柵氧加速模型并建立篩選機制來消除潛在的失效可能性器件。
除了TDDB外，當正常器件使用時，由于半導(dǎo)體-氧化界面處缺陷的產(chǎn)生或充放電，SiC MOSFET的閾值電壓會有漂移現(xiàn)象，閾值電壓的漂移可能對器件長期運行產(chǎn)生明顯影響。派恩杰半導(dǎo)體在高溫條件下給SiC MOSFET施加恒定的DC偏壓，觀察其閾值電壓的變化量。一般施加正向偏壓應(yīng)力時，閾值電壓向更高的電壓偏移；施加負向偏壓應(yīng)力時，閾值電壓向更低的電壓偏移。這種效應(yīng)是由于SiC/SiO2界面處或附近的載流子捕獲引起的，負向高壓使MOS界面附近的空穴被俘獲，產(chǎn)生更多的空穴陷阱；相反正向高壓造成電子的俘獲。當然，也有的競品產(chǎn)品在施加正向偏壓應(yīng)力時，閾值電壓向更低的電壓偏移；施加負向偏壓應(yīng)力時，閾值電壓向更高的電壓偏移。這是由于可移動離子在SiC/SiO2界面積累造成的，正向的偏壓使得正性的可移動離子在SiO2/SiC界面積累，造成閾值電壓負向漂移；負向的偏壓使得正性的可移動離子在poly/SiO2界面積累，造成閾值電壓正偏。
為評估器件在使用過程中閾值電壓漂移情況，派恩杰半導(dǎo)體進行了大量BTI實驗，基于實驗數(shù)據(jù)建立了PBTI&NBTI模型，借助模型可知曉器件在不同溫度和柵壓情況下的閾值電壓漂移程度。以P3M12080K4產(chǎn)品為例，該產(chǎn)品在極端應(yīng)用情況下(PBTI:Vgs=19V，TA=150℃)使用20年閾值電壓的漂移情況（+0.348V）,該產(chǎn)品在極端應(yīng)用情況下(NBTI:Vgs=-8V，TA=150℃)使用20年閾值電壓的漂移情況（-0.17V）。
Cascode、平面柵、溝槽柵對比
為提高高壓電源系統(tǒng)能源效率，半導(dǎo)體業(yè)者無不積極研發(fā)經(jīng)濟型高性能碳化硅功率器件，例如Cascode結(jié)構(gòu)、碳化硅MOSFET平面柵結(jié)構(gòu)、碳化硅MOSFET溝槽柵結(jié)構(gòu)等。這些不同的技術(shù)對于碳化硅功率器件應(yīng)用到底有什么影響，該如何選擇呢？
首先，Cascode是指采用SiMOSFET和常開型的SiC JFET串聯(lián)連接，如圖3所示。當SiMOSFET柵極為高電平時，MOSFET導(dǎo)通使得SiCJFET的GS短路，從而使其導(dǎo)通。當SiMOSFET柵極為低電平時，其漏極電壓上升直至使SiC JFET的GS電壓達到其關(guān)斷的負壓時，這時器件關(guān)斷。Cascode結(jié)構(gòu)主要的優(yōu)點是相同的導(dǎo)通電阻有更小的芯片面積，由于柵極開關(guān)由SiMOSFET控制，使得客戶在應(yīng)用中可以沿用Si的驅(qū)動設(shè)計，不需要單獨設(shè)計驅(qū)動電路。
圖3 SiC Cascode結(jié)構(gòu)示意圖
派恩杰半導(dǎo)體認為，Cascode結(jié)構(gòu)只是從Si產(chǎn)品轉(zhuǎn)向SiC產(chǎn)品的一個過渡產(chǎn)品，因為Cascode結(jié)構(gòu)完全無法發(fā)揮出SiC器件的獨特優(yōu)勢。首先，由于集成了Si MOSFET限制了Cascode的高溫應(yīng)用，特別是其高溫Rdson會達到常溫下的2倍；其次，器件開關(guān)是由Si MOSFET控制，因此開關(guān)頻率遠低于正常SiC MOSFET器件，這是由于JFET和Si MOSFET的合封，其dv/dt也只能達到10V/ns以下，而SiC MOSFET的dv/dt通?？梢缘竭_30V/ns~80V/ns。這些缺點使得Cascode也無法減小無源元件的尺寸，從而達到減小整體系統(tǒng)體積和成本的需求；最后，雖然從Cascode結(jié)構(gòu)上是由SiC高壓JFET器件來承受母線電壓，但是在開關(guān)過程中，MOSFET和JFET的輸出電容依然會分壓，當回路中存在電壓震蕩時，低壓Si MOSFET依然有被擊穿的風(fēng)險。
SiC MOSFET溝槽柵的主要優(yōu)勢來源于縱向溝道，這不但提高了載流子遷移率（這是由于SiC(11)晶面的遷移率高于(0001)晶面）而且可以縮小元胞尺寸從而有比平面型MOSFET更低的比導(dǎo)通電阻。然而，由于SiC非常堅硬，想要獲得均勻，光滑且垂直的刻蝕表面的工藝難度和控制要求都非常的高，這也是只有英飛凌和Rohm推出溝槽柵SiC MOSFET的原因。
溝槽柵工藝不僅對工藝實現(xiàn)要求非常高，在可靠性方面也存在一定的風(fēng)險。首先，由于溝槽刻蝕后表面粗糙度和角度的限制使得溝槽柵的柵氧質(zhì)量存在風(fēng)險；其次，由于SiC的各向異性，溝槽側(cè)壁的氧化層厚度和溝槽底部的氧化層厚度不同，因此必須采用特殊的結(jié)構(gòu)和工藝來避免溝槽底部特別是拐角部分的擊穿，這也增加了溝槽柵柵氧可靠性的不確定性；最后，由于trenchMOSFET的結(jié)構(gòu)，使得trench柵氧的電場強度要高于平面型，這也是Infineon和Rohm要做單邊和雙溝槽的原因。
SiC MOSFET平面柵則是最早也是應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)，目前主流的產(chǎn)品均使用該結(jié)構(gòu)。派恩杰半導(dǎo)體產(chǎn)品采用的是也是平面柵MOSFET結(jié)構(gòu)?；谄矫鏂沤Y(jié)構(gòu)，派恩杰已經(jīng)發(fā)布了650V-1700V各個電壓平臺的SiC MOSFET，而且已經(jīng)順利在新能源龍頭企業(yè)批量供貨，實現(xiàn)“上車”。
圖4 派恩杰產(chǎn)品發(fā)布情況
來源：三代半煉金術(shù)師
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