半導(dǎo)體市場的最新趨勢是廣泛采用碳化硅（SiC）器件,，包括用于工業(yè)和汽車應(yīng)用的肖特基勢壘二極管（SBD）和功率MOSFET。與此同時,，由于可供分析的現(xiàn)場數(shù)據(jù)有限，這些器件的長期可靠性成為一個需要解決的熱點問題,。一些SiC供應(yīng)商已開始根據(jù)嚴(yán)格的工業(yè)和汽車（AEC-Q101）標(biāo)準(zhǔn)來認(rèn)證SiC器件,，而另一些供應(yīng)商不但超出了這些認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的要求，還能為惡劣環(huán)境耐受性測試提供數(shù)據(jù),。為了使SiC器件在任務(wù)和安全關(guān)鍵型應(yīng)用中保持較高的普及率,，應(yīng)將這種認(rèn)證和測試策略與特定的設(shè)計規(guī)則相結(jié)合來實現(xiàn)高雪崩耐受性，這一點至關(guān)重要,。

　　市場快速增長

　　SiC器件的市場份額預(yù)計將在未來幾年加速增長,，主要推動因素是運輸行業(yè)的電氣化。SiC管芯將成為車載充電器和動力傳動牽引系統(tǒng)等應(yīng)用的模塊中的基本構(gòu)件,。由于雪崩擊穿的臨界電場較高,，因此高壓SiC器件的外形比同類硅器件小得多，并且可以在更高的開關(guān)頻率下工作,。SiC的熱性能也十分出色,，它不但擁有良好的散熱性能，還能在高溫下工作,。實際上,，最高工作溫度通常可達(dá)175 °C,，很少超過200 °C，主要限制為裝配工藝（焊接金屬和封裝材料）,。SiC器件本質(zhì)上比硅器件更高效,，切換到SiC管芯可以極大減少模塊中單個管芯的數(shù)量。

　　隨著SiC器件從利基市場轉(zhuǎn)向主流市場,，與大規(guī)模生產(chǎn)爬坡效應(yīng)相關(guān)的主要挑戰(zhàn)正逐漸被克服,。為輕松實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變，制造廠正在建立可與現(xiàn)存硅生產(chǎn)線共用工具的SiC生產(chǎn)線,。這種安排可有效降低SiC管芯的成本,，因為這樣做可與Si生產(chǎn)線分擔(dān)開銷。隨著晶圓供應(yīng)商大幅度提高產(chǎn)能,，近來在晶圓供貨方面的限制已不再是問題,。由于4H-SiC襯底和外延生長的不斷改進,，現(xiàn)在可提供晶體缺陷密度極低的高質(zhì)量6英寸晶圓。根據(jù)電氣參數(shù)測試可知,，晶圓質(zhì)量越高,，SiC器件的產(chǎn)量就越高。

　　但請務(wù)必記住,，由于這些器件僅僅上市幾年,，因此其現(xiàn)場可靠性數(shù)據(jù)十分有限。此外,，由于SiC器件自身也面臨著一系列挑戰(zhàn),，因此其認(rèn)證比硅器件的認(rèn)證困難得多。在SiC器件中,，反向偏置條件下的電場高出將近一個數(shù)量級,。如果不采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計規(guī)則，這種高電場很容易損壞柵極氧化層,。SiC柵極氧化層界面附近的陷阱密度也高得多,。結(jié)果是，由于陷阱帶電,，因此老化測試期間可能會出現(xiàn)不穩(wěn)定性,。一直以來，我們都專注于提高長期可靠性,，而取得的成果也令人欣慰,，最近的報告顯示器件已通過嚴(yán)格的工業(yè)和汽車（AEC-Q101）標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。

　　除此之外,，SiC供應(yīng)商也已開始采取下一步行動,，即為惡劣環(huán)境耐受性測試提供數(shù)據(jù)。

　　惡劣環(huán)境耐受性測試

　　作為示例,，Microchip通過子公司Microsemi在其適用于700V,、1200V和1700V電壓節(jié)點的SiC SBD和MOSFET上進行了惡劣環(huán)境耐受性測試。測試表明,，高水平的非鉗位感應(yīng)開關(guān)（UIS）耐受性對于保證器件的長期可靠性至關(guān)重要,。同時還表明，在UIS測試期間,，高瞬態(tài)電流流過反向偏置器件,，并驅(qū)動其進入雪崩擊穿狀態(tài)。在高電流和高電壓的共同作用下,，會產(chǎn)生大量熱量且溫度急劇上升,。耐用功率MOSFET的局部最高溫度可達(dá)到500°C，遠(yuǎn)高于典型溫度額定值,。

　　UIS的耐受性與生產(chǎn)線前端和后端的外延質(zhì)量和制造工藝密切相關(guān),。即使外延中的微小晶體缺陷或與工藝相關(guān)的缺陷也可能構(gòu)成薄弱環(huán)節(jié),，導(dǎo)致器件在UIS測試期間過早失效。這就解釋了為什么對產(chǎn)品系列耐受性的全面分析中應(yīng)當(dāng)包含單脈沖和重復(fù)UIS（RUIS）測試,。

　　單脈沖測試用作篩選測試,，用于識別UIS耐受性較低的器件。為了保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中的UIS額定值,，所有器件在交付給客戶之前都應(yīng)經(jīng)過測試,。不過，器件在現(xiàn)場投入使用期間可能會經(jīng)歷多次UIS事件,。為了分析逐漸磨損的特性,，需要重復(fù)測試。要深入分析特性,，應(yīng)對器件施加大量脈沖,，常見做法是100,000次沖擊。

　　在UIS脈沖期間,，被測器件中的電流連續(xù)降低,，而電壓基本保持恒定，但會因熱效應(yīng)而略微變化（圖1）,。UIS脈沖的能量由脈沖開始時的最大電流和負(fù)載的電感定義,。在測試過程中，通過改變電感值來調(diào)節(jié)能量,。最大電流保持恒定,；它等于SBD的正向電流額定值，也等于MOSFET的漏極電流額定值的三分之二,。

　　圖1：UIS脈沖期間的RUIS測試設(shè)置以及電流和電壓的波形

　　RUIS測試具有特定的約束條件,，主要目的是防止一個脈沖與下一個脈沖的溫度發(fā)生積聚。在施加新脈沖之前,，務(wù)必確保器件溫度接近環(huán)境溫度,。在圖1所示的測試設(shè)置中，使用熱電偶傳感器監(jiān)視器件的溫度,，并調(diào)整脈沖重復(fù)頻率以獲得恒定的讀數(shù),。為了有助于冷卻器件，應(yīng)將其安裝在散熱器上風(fēng)扇下方的位置,。

　　可實現(xiàn)高雪崩耐受性的器件設(shè)計

　　除了采用適當(dāng)?shù)臏y試過程之外，一流的UIS耐受性還需要使用下面的一組設(shè)計規(guī)則：

　　w高壓端接設(shè)計有足夠高的固有擊穿電壓,，以確保有效區(qū)域首先進入雪崩狀態(tài),。在這種情況下，能量會分散到整個有效區(qū)域上,，而不是在狹窄的端接中,，后一種情況會導(dǎo)致過早失效,。

　　wMOSFET的JFET區(qū)域中的電場屏蔽對于保護柵極氧化層非常關(guān)鍵。應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎優(yōu)化用于界定JFET區(qū)域的P型摻雜阱的設(shè)計和注入方案,，以便提供足夠的屏蔽而不會嚴(yán)重影響導(dǎo)通狀態(tài)電阻,。

　　w利用具有高導(dǎo)熱率的鈍化材料為熱量通過管芯的頂部耗散提供了路徑。

　　使用這些規(guī)則設(shè)計的肖特基二極管和功率MOSFET在惡劣環(huán)境耐受性測試中均表現(xiàn)良好,。對SBD的測試持續(xù)到單脈沖和重復(fù)UIS失效為止,，同時還監(jiān)視了多個直流參數(shù)。這項測試的結(jié)果表明,，器件的正向電壓和反向泄漏電流十分穩(wěn)定,，而反向擊穿電壓則略有增加，這可歸因于SiC上表面附近的自由載流子俘獲,。即將失效之前的脈沖能量如圖2所示,。UIS耐受性隨器件額定電壓的增大而提高。鑒于大部分熱量在外延區(qū)域產(chǎn)生,，這種趨勢不難解釋,。隨著外延厚度因額定電壓的增大而增加，每單位體積產(chǎn)生的熱量會減少,，這反過來會降低器件中的溫度,。由于重復(fù)測試的原因，UIS的耐受性會系統(tǒng)性降低,，但程度很小,。與單脈沖UIS相比，差異小于10%,。多個UIS脈沖沒有強累加效應(yīng),，預(yù)計SBD在現(xiàn)場投入使用期間將保持高耐受性。

　　圖2：700V,、1200V和1700V SiC SBD失效前每個活動區(qū)域的比能

　　MOSFET惡劣環(huán)境耐受性特性分析應(yīng)重點關(guān)注柵極氧化層的長期可靠性,，這無需對器件施壓至失效。作為替代,，可使用由100,000個能量相對較低的脈沖組成的重復(fù)測試,。舉例來說，Microsemi 1200V/40 mΩ MOSFET使用雪崩耐受性規(guī)則進行設(shè)計,，通過100 mJ脈沖進行測試,，其單脈沖UIS額定值為2.0J。大多數(shù)直流參數(shù)不受影響,；不過,，由于該測試對柵極氧化層施壓，因此會觀察到柵極泄漏的適度增加。為了確定長期可靠性是否受到損害,，我們對器件施加了隨時間變化的介電擊穿,。圖3報告了對各種器件的柵極施加50μA直流電流時的失效時間，具體包括使用公司的雪崩耐受性規(guī)則開發(fā)的Microsemi SiC器件以及其他三家領(lǐng)先供應(yīng)商提供的器件,。

　　圖3：四家供應(yīng)商提供的1200V MOSFET的TDDB失效時間

　　堅持采用SiC

　　在工業(yè)和汽車市場中采用SiC器件時,，需滿足嚴(yán)格的長期可靠性要求。滿足這些要求的最佳策略是使產(chǎn)品通過汽車AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證,，并對尚未標(biāo)準(zhǔn)化的極端環(huán)境耐受性測試進行特性分析,。通過應(yīng)用設(shè)計規(guī)則來實現(xiàn)高雪崩耐受性同樣十分重要。這些措施一起使用時,，不僅有助于確保SiC器件在快速普及的道路上繼續(xù)前進,，同時還能提供這些應(yīng)用所需的長期可靠性。