【導讀】過(guò)去幾年，實(shí)際應用條件下的閾值電壓漂移（VGS(th)）一直是SiC的關(guān)注重點(diǎn)。英飛凌率先發(fā)現了動(dòng)態(tài)工作引起的長(cháng)期應力下VGS(th)的漂移現象，并提出了工作柵極電壓區域的建議，旨在最大限度地減少使用壽命內的漂移。[1]。
引言
過(guò)去幾年，實(shí)際應用條件下的閾值電壓漂移（VGS(th)）一直是SiC的關(guān)注重點(diǎn)。
英飛凌率先發(fā)現了動(dòng)態(tài)工作引起的長(cháng)期應力下VGS(th)的漂移現象，并提出了工作柵極電壓區域的建議，旨在最大限度地減少使用壽命內的漂移。[1]。
經(jīng)過(guò)不斷研究和持續優(yōu)化，現在，全新推出的CoolSiC? MOSFET M1H在VGS(th)穩定性方面有了顯著(zhù)改善，幾乎所有情況下的漂移效應影響，都可以忽略不計。
現象描述
VGS(th)漂移現象通常是通過(guò)高溫柵極偏置應力測試（DC-HTGS）來(lái)進(jìn)行描述的，該測試遵循JEDEC等標準定義的測試準則進(jìn)行。
近期的研究結果表明，與相應的靜態(tài)柵極應力測試（DC-HTGS）相比，包括V_(GS(off))<0V在內的正負電源驅動(dòng)，交流AC柵極應力引起的閾值電壓漂移更高，這一發(fā)現為SiC MOSFET器件的可靠性帶來(lái)了新視角[1,3]。
圖1顯示了交流（AC）和直流（DC）應力條件下的不同影響。VGS(th) (ΔVth)的數據變化是使用數據表[1]中的最大條件得出的。
圖中可以看到兩個(gè)不同的斜率，第一個(gè)對應的是典型的類(lèi)似直流DC的漂移行為（“直流擬合”）；第二個(gè)更大的斜率對應的是正負電源的交流AC應力效應（“交流擬合”），也稱(chēng)柵極開(kāi)關(guān)不穩定性（GSI）。
圖1：連續柵極開(kāi)關(guān)應力期間的漂移：
VGS,(on)=20V;VGS(off)=?10V;
Tvj,max=150°C and f=500kHz.[1]
我們的結論是：開(kāi)關(guān)周次數超過(guò)10?的應力條件下，交流漂移是造成應力的主要原因；開(kāi)關(guān)周次數較少時(shí)，直流漂移是造成應力的主要原因。
數據顯示，開(kāi)關(guān)應力會(huì )導致VGS(th)隨時(shí)間緩慢增加。由于閾值電壓VGS(th)增加，可以觀(guān)察到溝道電阻（Rch）的增加。這種現象由等式（1）描述，式中，L是溝道長(cháng)度，W是溝道寬度，μn是電子遷移率，Cox是柵極氧化層電容，VGS(on)是導通狀態(tài)柵極電壓，VGS(th)是器件的閾值電壓[1]。
總RDS(on)是由各電阻的總和決定的，即溝道電阻（Rch）、結型場(chǎng)效應晶體管電阻（RJFET）、漂移區的外延層電阻（Repi）和高摻雜SiC襯底的電阻（RSub）。等式（2）描述了總RDS(on)的整個(gè)組成。
因此，VGS(th)的增加會(huì )導致溝道電阻略有提高，從而造成RDS(on)提高，以及久而久之產(chǎn)生的導通損耗。
柵極開(kāi)關(guān)應力
為了確保和預測我們的CoolSiC? MOSFET在典型開(kāi)關(guān)工作期間電氣參數的長(cháng)期穩定性，我們開(kāi)發(fā)并采用了一種新的應力測試：柵極開(kāi)關(guān)應力測試（GSS）。該測試可以讓您直接確定電氣參數漂移，這些漂移通常在正負驅動(dòng)電壓模式下運行（正V(GS,on)：導通；負VGS(OFF)：關(guān)斷）。該測試可以讓開(kāi)發(fā)人員量化上述新的失效機制，因此，是鑒定SiC MOSFET的必要條件。
GSS測試涵蓋了所有重要的漂移現象，包括在器件正常工作期間發(fā)生的漂移現象。除了缺失的負載電流（它本身不會(huì )改變我們所觀(guān)察到的漂移行為）[3]，我們通過(guò)保持與典型應用條件相似的柵極開(kāi)關(guān)特性（例如，電壓斜率），盡可能地模擬應用（參見(jiàn)圖2）[1]。為了涵蓋在實(shí)際SiC MOSFET應用中非常常見(jiàn)的柵極信號過(guò)沖和下沖的潛在影響，我們通過(guò)在數據表所允許的最大柵極電壓和最大靜態(tài)結溫（Tvj,op）下施加應力，來(lái)實(shí)現最壞情況。
圖2：頻率f=500kHz時(shí)，典型的GSS柵源應力信號。[1]
在最壞情況下進(jìn)行測試，可以讓客戶(hù)確信自己能夠在整個(gè)規格范圍內使用該器件，而不會(huì )超過(guò)漂移極限。因此，這種方法保證了器件的出色可靠性，同時(shí)也便于安全裕度的計算。
除了VGS(th)，柵極漏電流IGSS等其他參數也得到了測量，并在被測硬件上保持一致[1]。
最壞情況的壽命終止漂移評估及其對應用的影響
在開(kāi)發(fā)逆變器的過(guò)程中，一大任務(wù)就是預測設備的使用壽命。因此，必須提供可靠的模型和信息。在各種工作條件下，進(jìn)行了大量的測試后，我們就能開(kāi)發(fā)出一個(gè)預測性的半經(jīng)驗性模型，該模型描述了閾值電壓隨任務(wù)曲線(xiàn)參數的變化，例如：應力時(shí)間（tS）、柵極偏置低電平（VGS(off)）、柵極偏置高電平（VGS(on)），開(kāi)關(guān)頻率（fsw）和工作溫度（T）（ΔVGS(th) (tS,VGS(off),VGS(on),fsw,T)）[3]。
基于該模型，我們建立了一種評估閾值電壓漂移的方法，使用最壞情況壽命終止曲線(xiàn)（EoAP）來(lái)計算相對R(DS(on))漂移。在應用中，以任意頻率運行一定時(shí)間，我們可以計算出至EoAP之前的開(kāi)關(guān)周期總數（NCycle）。然后，使用NCycle讀出相對RDS(on)漂移。
周期數取決于開(kāi)關(guān)頻率和工作時(shí)間。典型的硬開(kāi)關(guān)工業(yè)應用（例如，太陽(yáng)能組串逆變器）使用16-50 kHz的開(kāi)關(guān)頻率。使用諧振拓撲的逆變器的開(kāi)關(guān)速度通常超過(guò)100kHz。這些應用的目標壽命通常在10-20年，而實(shí)際工作時(shí)間通常在50%-100%。
以下示例提供了一個(gè)樣品評估：
● 目標壽命[年]：20
● 實(shí)際工作時(shí)間[%]：50%=>10年
● 實(shí)際工作時(shí)間[s]：315,360,000s(10年)
● 開(kāi)關(guān)頻率[kHz]：48
● 周期持續時(shí)間[s]：1/開(kāi)關(guān)頻率=0.0000208
● 壽命終止時(shí)的周次數=~1.52E+13
導通電壓為18V時(shí)，預計25°C時(shí)的RDS(on)的相對變化小于6%，175°C時(shí)小于3%，見(jiàn)圖3（圖3中的綠點(diǎn)）。
圖3：VGS(on)=18V、Tvj,op=25°C、125°C和175°C [2]時(shí)的相對RDS(on)變化
圖4示例基于最近推出的EasyPACK? FS55MR12W1M1H_B11（DC-AC逆變器中的三相逆變橋配置），說(shuō)明了RDS(on)預測變化的影響[4]。這個(gè)例子是在損耗分布中，傳導損耗（Pcon）占比很大的應用。Tvj,op從最初的148°C到150°C的最壞情況EoAP僅上升2K。結果證明，哪怕是使用了20年后，RDS(on)的輕微變化導致的Tvj,op增加也可以忽略不計。
圖4.最壞情況EoL評估：Vdc：800V，Irms：18A，fout：50Hz，fsw：50kHz，cos(φ)：1，Th=80°C。
圖中文字：
Power loss：功率損耗
Initial point：初始點(diǎn)
Worst-case EoAP：最壞情況EoAP
這種方法意味著(zhù)，最大漂移應當是在所描述的最壞情況下出現的。借助全新的M1H芯片，客戶(hù)將能從數據表的規格范圍中，選擇最適用于其應用的參數。柵極信號中的寄生過(guò)沖和下沖不會(huì )影響漂移，無(wú)需從應用的角度考慮。因此，可以節省時(shí)間和精力。
請注意：在控制良好的柵極偏置電平下運行的應用，遠低于數據表的最大限制，例如，+18V/-3V，在相同的開(kāi)關(guān)周期數下，RDS(on)的變化幅度甚至更小。
結論
我們通過(guò)在各種開(kāi)關(guān)條件下進(jìn)行長(cháng)期的測試，研究了在實(shí)際應用條件下的閾值電壓特性。我們開(kāi)發(fā)并采用了一種應力測試程序，來(lái)確定在現實(shí)的應用開(kāi)關(guān)條件下，最壞情況EoAP參數漂移，為我們的客戶(hù)提供了可靠的預測模型。
除了其他關(guān)鍵的改進(jìn)外，最近推出的1200V CoolSiC? MOSFET，即M1H，還顯示出了出色的穩定性，并降低了漂移現象的影響。
參考文獻
[1] 英飛凌應用說(shuō)明 2018-09
[2] P. Salmen, M. W. Feil, K. Waschneck, H.Reisinger, G. Rescher, T. Aichinger: 一種新的測試程序，可實(shí)際評估 SiC MOSFET 在開(kāi)關(guān)運行中的壽命終止電氣參數穩定性；2021 IEEE 國際可靠性物理研討會(huì )（IRPS）（2021 年）
[3] 英飛凌：白皮書(shū) 08-2020：英飛凌如何控制和確保 SiC 基功率半導體的可靠性，第 11–21 頁(yè);
[4] 數據表 FS55MR12W1M1H_B11
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