碳化硅MOSFET的短路实验性能与有限元分析法热模型的开发

摘要：本文的意图是剖析碳化硅MOSFET的短路实验(SCT)体现。详细而言，该实验的重点是在不同条件下进行专门的实验室丈量，并凭借一个稳健的有限元法物理模型来证明和比较丈量值，对短路行为的动态改变进行深度评价。

　　前语

　　就现在而言，碳化硅(SiC)资料具有极佳的的电学和热学性质，使得碳化硅功率器材在功能方面现已逾越硅产品。在需求高开关频率和低电能损耗的使用中，碳化硅MOSFET正在替代规范硅器材。半导体技能要想开展有必要处理牢靠性问题，由于有些使用领域对牢靠性要求十分严厉，例如：轿车、飞机、制造业和再生能源。典型的功率转换器及相关功率电子元件有必要严厉遵守电气安全规矩，要能在恶劣条件下坚持正常作业，其鲁棒功可以耐受短路这种最风险的临界事情的冲击
^[1]。

　　没有设备可以监测微秒级功率脉冲引起的器材内部温度升高，当脉冲十分短时，只能用模仿办法预算晶体管结构内部和相邻层的温度上升。此外，温度预算及其与已知临界值的相关性将能解说实验观察到的失效形式。

　　在这种情况下，模仿东西和剖析办法起着重要作用，由于了解在极点测验条件下结构内部产生的现象，有助于处理怎么强化技能自身的鲁棒性问题，然后节约开发时刻^[2]，[3]。

　　本文扼要介绍了650V、45mΩ碳化硅功率MOSFET样品的短路实验，以及相关的失效剖析和建模战略。

　　短路实验剖析与结构模仿

　　在做短路实验(SCT)前，先用电压电流曲线丈量仪对待测样品的栅极氧化层进行完整性测验，如图1(a)所示。然后，对待测器材进行动态表征测验，评价其开关特性。
图1(b)所示是典型开关表征的等效电路图。图1(c)所示是相关实验的波形：Vgs、Vds、Id，以及在VDD =
400V、20A负载电流、Vgs=-5/20V、Rg =4.7Ω关断时的功率散布Poff。计算出关断能量Eoff，取值约25J。

图1(a)栅极氧化层丈量，(b)开关表征等效电路(c)典型的关断波形

　　图2(a)所示是短路实验的实验台，图2(b)所示是实验等效电路图。

图2实验设备：(a)实验台，(b)等效电路

　　图3(a)所示是样品1在失效条件下的短路实验波形。施加一串时刻宽度增量为250ns的单脉冲到达失效点。观察到脉冲间推迟为5秒。在VDD =
400V、Vgs = 0/20V和Rg =4.7Ω的条件下，样品1顺利完成tsc=5,75s脉冲短路实验。

图3(a)短路实验动态波形 (b)和(c)栅极氧化层电学表征(d)短路实验导致栅极氧化层退化后的关断波形

　　在这个时步里，脉冲无法显现失效形式，需求鄙人一个时步(tsc=6s)中去验证，此刻，栅极氧化层被不可逆地损坏。观察到漏极电流Id和Vgs下降(图3(a))。在图3(b)中观察到的损坏是短路能量(Esc)过高导致的栅极氧化层失效，而且用曲线丈量仪证明失效存在，如图3(c)所示。观察到的栅极氧化层退化与Eoff功能的动态改变相关，如图3(d)所示。

　　随后，对失效器材进行失效剖析，在后侧和前侧用光电子能谱确认缺点方位，并用聚集离子束办法进行“热门”截面剖析。
图4所示的物理缺点本质上是多晶硅层熔化，与电废料共同。

图4：退化后物理剖析