征服碳化硅(SiC)——宽带隙半导体材料(第二部分)

很多朋友对征服碳化硅(SiC)——宽带隙半导体材料(第二部分)不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

发表的文章本章将简要介绍onsemi最近进行的研究。参考文献部分列出了相关的出版物，可以为读者提供他们想要得到的所有细节，以便更深入地了解这些技术主题。偏置温度不稳定性(BTI)

众所周知，BTI是硅器件的退化模式。由于在半导体/氧化物界面处或附近产生的陷阱或陷阱电荷，MOSFET的阈值电压偏移，最终导致导通电阻增加的不利影响。SiC MOSFET也受到影响，需要处理宽禁带材料，使得研究工作更加复杂。在DC模式和开关模式下，都需要充分了解材料的行为。

多年来，Anselmi一直专注于SiC/SiO2 _ 2界面的表征及其固有可靠性评估，并建立了一个研究网络，通过选定的研究伙伴和实验技术来研究和改善界面状态和迁移率(见图4)。

利用高温(正负)栅偏压应力，对封装器件的通断状态进行静态BTI评估，包括应力后电参数的漂移分析。动态BTI评估需要更全面的方法。Anson投入了相应的资源来研究超快偏置温度不稳定性(UF-BTI)，并对施加正(PBTI)或负(NBTI)栅极应力(或两者都施加)时的阈值电压(Vth)漂移进行了测量和建模，如图10所示。图10是用于研究SiC MOSFET上的超快速BTI的应力/测量/发射序列的示意图。

在PBTI期间，“表观”Vth将漂移到更高的电压(由于电子俘获)，而在NBTI期间，“表观”Vth将漂移到更低的电压(由于电子发射或空穴俘获)。PBTI有长期可回收部分，而NBTI只有部分可回收。传统的IDVG表示方案不能捕获快速分量。然而，在典型的开关应用中(100 kHz，即约5至10秒)，快速BTI分量将占主导地位，并可能成为潜在的应用障碍。

Anselmi收集的数据低至秒，覆盖温度范围广，包括低温。图11 VG=10v时PBTI期及后续恢复期内Vth漂移与时间和温度的函数关系图12 VG=-10v时NBTI期及后续恢复期内Vth漂移与时间和温度的函数关系如下：

提取捕获发射时间(CET)图(Vth漂移是由捕获电荷引起的，分布在能量和空间上)。图11为10 V PBTI应力条件下应力期和后续恢复期的vth漂移，图12为-10 V NBTI应力条件下Vth漂移的DC和交流建模(快BTI分量用于应用，慢BTI分量用于长期本征可靠性)提取物理模型(缺陷类型、能量和深度)，如图13所示预测实际应用需求下的寿命。

图13拟合NBTI和PBTI后的绝对Vth漂移(使用Comphy模型)以提取陷阱分布。低温UF-BTI的研究成果已发表在ISPSD2022 [4]上。体二极管退化

SiC MOSFET中由体二极管应力引起的双极性退化将导致导通电阻增加，这是由流过体二极管的电流在正向偏置时触发的。这种退化有时被报告为直流电压漂移或关断状态下的泄漏增加。图14描述了测试过程，而图15示出了脉冲测量期间的正向电压降VF和电流ID。图14双极退化测试程序图15示出了在250、300和350 A以及VGS=-5 V的脉冲电流测量期间测量的体二极管的瞬态正向电压降VF和电流ID

Anson Mei评价了这种降解机制。近日，——在ECSC CRM 2021 [2]上发表了一项研究成果，独立映射了SiC MOSFET管芯[CX1]中的BPD，建立了体二极管应力后的RDSon漂移与器件中BPD数量的相关性。随着器件中BPD数量的增加，RDSon和VF漂移明显增加。然而，必须使用非常高的电流密度(J 1600 A/cm2)才能观察到没有BPD的MOSFET的显著退化(图16)。

图16 1700V 25mSiC MOSFET上RDSon和VF漂移与BPD数和电流的关系；二极管应力是一百万个50秒的长脉冲。安森美对所有SiC工艺节点实施了以下措施：对每片生产晶圆进行目视检查，扫描基面位错(BPD)使用高掺杂外延缓冲层，会限制BPD堆垛层错的发展最后定义了最大电流密度的设计规则。

综合考虑这三个因素，可以认为Anson SiC MOSFET技术在高达1200 V时不受二极管退化效应的影响，动态应力下的退化是宽带隙材料的相关问题之一。Anson已经在内部开发的试验台架上进行了动应力研究(样本量有限)。下面介绍一个室温下动态浇口应力测试的例子。

关于大样本量的动态应力测试(例如三批，每批80件)，正在制定相应的解决方案(内部和与设备供应商合作)。室温下的动态栅极应力：在T=25、VDS=0 V的条件下，利用占空比为50%、在-8 V和20 V之间切换的栅极驱动器，实现瞬态、无过冲的VGS应力[3]。图anson公司的商用1200V 80mSiC MOSFET和其它三家制造商的1200 V SiC MOSFET的Vth漂移和归一化RDSon漂移。

在不同的时间间隔后中断应力测量，以运行由Vth和RDSon组成的测试程序。图17显示了Anson的商用1200V 80mSiC MOSFET和其他三家制造商的1200 V SiC MOSFET产品的Vth漂移和归一化RDSon漂移(两家制造商的vgs为-8 v，超过了数据手册中的额定值)。摘要如本白皮书所述，Anson已经开发了一套全面的跨部门合作方案，用于评估SiC产品，并高效可靠地将其投放市场。

精心的设计方法、严格的生产监控、制造控制、充分的筛选和稳健的认证计划相结合，为SiC产品的稳定性和可靠性奠定了基础。本文简要介绍了一些SiC器件的独特挑战，然后引用了Anson Mei的表征和建模方法。我们发表的文章提供了正在进行的关于Anson物理参数的研究(最新的研究结果请阅读参考资料)。参考文献[1]

SiC栅氧化层寿命提取和建模的充电击穿(QBD)方法。摩恩斯1、J。弗兰奇1、J。信件1、L。德施佩尔1、米。Domeij1和F. Allerstam 133541。Anson Mei3354ISPSD 2004。1700 V SiC MOSFET的脉冲正偏体二极管应力与基面位错之间的独立映射——s . Kochoska1、m . Domeij1、s . sun Kari1、j . Justice1、h . DASLee1，X.Q.Hu1和T. Neyer1——1安森美——ECSCRM 2021[3]

平面型SiC MOS 技术的栅极氧化层可靠性和Vth 稳定性——M. Domeij1、J. Franchi1、S. Maslougkas1、P. Moens1、J. Lettens1、J. Choi1 和F. Allerstam1——1安森美——ECSCRM 2021

[4]

碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管的低温超快偏置温度不稳定性陷阱分析——F. Geenen1、F. Masin2、A. Stockman1、C. De Santi2、J. Lettens1、D. Waldhoer3、M. Meneghini2、T. Grasser3 和P. Moens1——1安森美比利时；2意大利帕多瓦大学；3奥地利维也纳理工大学——ISPSD 2022

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