最新一代功率半導(dǎo)體SiC憑借其在禁帶寬度和熱導(dǎo)率等方面的優(yōu)勢(shì)，成功擊中高功率高能效應(yīng)用需求。SiC測(cè)試有何挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)方法？以下技術(shù)文章介紹了使用動(dòng)態(tài)柵極應(yīng)力(Dynamic Gate Stress, DGS)測(cè)試過程對(duì)基于SiC的功率半導(dǎo)體進(jìn)行新型可靠性測(cè)試的意義。相信您看完會(huì)受到啟發(fā)。
碳化硅(SiC)組件擁有眾多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，適用于要求嚴(yán)格的應(yīng)用。但硅(Si)組件和SiC組件之間存在結(jié)構(gòu)差異，該差異會(huì)影響可靠性測(cè)試。
SiC（碳化硅）因其諸多出色性能成為半導(dǎo)體市場(chǎng)的重要材料。SiC的電氣擊穿電壓高于硅，因此可以提升組件的性能和效率。SiC還支持在更高溫度下運(yùn)行，這樣更有利于散熱，并可在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更出色的性能。由于SiC具有高導(dǎo)熱性，使組件在嚴(yán)苛條件下也可高效運(yùn)行。SiC組件的高開關(guān)頻率支持更小巧輕便的設(shè)計(jì)，這一點(diǎn)作為主要優(yōu)勢(shì)使其可用于眾多應(yīng)用。得益于上述特性，SiC涉及的應(yīng)用行業(yè)日益廣泛，如電動(dòng)汽車、可再生能源、工業(yè)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和航空航天。
SiC功率半導(dǎo)體需要新的可靠性測(cè)試
盡管SiC的應(yīng)用前景廣闊，但仍需要針對(duì)基于SiC的新組件開發(fā)特定的可靠性測(cè)試。由于SiC和硅之間存在結(jié)構(gòu)差異，無法使用現(xiàn)有的硅組件測(cè)試方法和假設(shè)條件。SiC的晶體結(jié)構(gòu)與硅不同，因此具有不同的電學(xué)和熱學(xué)性能。如果忽略這些差異，則可能無法檢測(cè)組件的潛在生命周期或性能弱點(diǎn)。本文介紹了使用動(dòng)態(tài)柵極應(yīng)力(Dynamic Gate Stress, DGS)測(cè)試過程對(duì)基于SiC的功率半導(dǎo)體進(jìn)行新型可靠性測(cè)試的意義。
DGS測(cè)試主要用于SiC-FET（場(chǎng)效應(yīng)晶體管）。在測(cè)試過程中，向DUT（待測(cè)設(shè)備）的柵極以方波信號(hào)形式施加應(yīng)力信號(hào)，該信號(hào)使用DUT的最大和最小柵極電壓。應(yīng)力循環(huán)期間，采用主動(dòng)溫度控制將DUT調(diào)整至所需的應(yīng)力溫度。按照規(guī)定時(shí)間間隔暫停施加應(yīng)力，以測(cè)量DUT的柵極閾值電壓和RDSon。
對(duì)于寬帶隙半導(dǎo)體測(cè)試過程，動(dòng)態(tài)應(yīng)力法和靜態(tài)應(yīng)力法之間存在顯著差異。本文所述的測(cè)試過程采用SET GmbH的測(cè)試系統(tǒng)。使用該測(cè)試裝置對(duì)測(cè)試規(guī)范做出準(zhǔn)確解釋，并將測(cè)量結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行比較。正確的測(cè)量過程對(duì)獲得可靠且可重復(fù)的測(cè)量結(jié)果同樣重要。測(cè)試相關(guān)內(nèi)容可參考ECPE（歐洲電力電子中心）指南AQG 324，其中為歐洲SiC組件的新測(cè)試過程提供了實(shí)踐規(guī)范和指南。
動(dòng)態(tài)柵極應(yīng)力(DGS)測(cè)試：功能原理和測(cè)量過程
在DGS測(cè)試過程中，F(xiàn)ET將其漏極和源極接點(diǎn)處連接至地電位，并在其柵極接點(diǎn)處施加應(yīng)力（圖1）。施加的應(yīng)力信號(hào)定義請(qǐng)參見AQG324指南。應(yīng)力信號(hào)參數(shù)如下：方波信號(hào)的幅值是所需DUT規(guī)格所允許的最大負(fù)電壓和正電壓。DUT的上升時(shí)間（dV/dt）應(yīng)為1V/ns左右，應(yīng)力頻率應(yīng)大于或等于50 kHz，占空比范圍為20%至80%。
圖1：DGS測(cè)試的測(cè)試設(shè)置：左側(cè)為應(yīng)力電路，右側(cè)為測(cè)量電路。
應(yīng)力的持續(xù)時(shí)間由頻率決定，因此頻率越高測(cè)試時(shí)間越短。根據(jù)指南AQG324的規(guī)定，應(yīng)力持續(xù)時(shí)間應(yīng)不小于10^11個(gè)周期。測(cè)試溫度應(yīng)主動(dòng)調(diào)節(jié)且嚴(yán)格控制在25 °C。
作為該測(cè)試過程的一部分，在全自動(dòng)應(yīng)力暫停期間對(duì)柵極閾值電壓和RDSon電阻進(jìn)行測(cè)量。精確測(cè)量和適當(dāng)預(yù)處理在測(cè)試過程中非常重要。預(yù)處理用于確保每次測(cè)量時(shí)測(cè)試對(duì)象的條件相同，從而保證測(cè)量結(jié)果具有可比性。本文中的指南AQG引用了JEDEC指南JEP184，其中介紹了正確的測(cè)量過程。柵極定義電壓應(yīng)與建議的柵極-源極有效電壓或允許的最大/最小柵極-源極電壓相對(duì)應(yīng)。
常見的預(yù)處理時(shí)間為100ms，但有時(shí)也會(huì)明顯延長(zhǎng)。預(yù)處理完成后，應(yīng)快速測(cè)量柵極閾值電壓，根據(jù)指南建議測(cè)量應(yīng)在10ms內(nèi)進(jìn)行。此處所示的示波器記錄結(jié)果由SETGmbH的DGS系統(tǒng)完成，用于說明測(cè)量過程。
圖2中的曲線與柵極信號(hào)相對(duì)應(yīng)。開始時(shí)，可以觀察到300kHz下-10V~+22V 的應(yīng)力施加階段，隨后在測(cè)量過程開始時(shí)暫停。
測(cè)量過程從+22V預(yù)處理脈沖開始，該脈沖持續(xù)100ms。隨后，柵極電壓以非常小的步長(zhǎng)持續(xù)變化。在測(cè)試階段，將測(cè)量漏極電流Idrain并將其設(shè)置為特定值，例如20mA。由于FET已打開，因此在“Vth(down)”測(cè)試階段開始時(shí)，有20mA電流流過。一旦柵極電壓接近閾值電壓，F(xiàn)ET就會(huì)緩慢關(guān)閉，之前可完全通過FET的電流會(huì)緩慢減小。當(dāng)Idrain電流達(dá)到定義值（例如10mA）時(shí)，柵極電壓保存為Vth(down)。對(duì)電壓負(fù)值區(qū)域重復(fù)相同的測(cè)量步驟：最小柵極電壓-10V持續(xù)100ms。 然后柵極電壓逐漸增加，在10mA處保存Vth(up)電壓。
圖2：測(cè)量期間DGS系統(tǒng)的柵極信號(hào)。
Vth測(cè)量完成后，測(cè)量測(cè)試對(duì)象的Rds(on)電阻。為此，在漏極和源極之間產(chǎn)生可調(diào)電流脈沖。通過測(cè)量漏極和源極之間的電壓降來確定Rds(on)電阻。完成這些測(cè)量后，繼續(xù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)柵極應(yīng)力測(cè)試?？煽繉?shí)施該過程對(duì)準(zhǔn)確表征SiC半導(dǎo)體在應(yīng)力下的行為并保障其可靠性至關(guān)重要。
DGS測(cè)量結(jié)果與靜態(tài)測(cè)量結(jié)果的比較
為評(píng)估DGS測(cè)試的必要性并將其與傳統(tǒng)靜態(tài)測(cè)試過程進(jìn)行比較，進(jìn)行了大量比較試驗(yàn)。使用RDSon為80mΩ的常規(guī)1200V SiC MOSFET為測(cè)試對(duì)象。該過程使用的MOSFET均為最新一代產(chǎn)品，目前已在公開市場(chǎng)上銷售。使用數(shù)據(jù)表中在100kHz應(yīng)力頻率和50%占空比下的最大建議柵極電壓作為以下測(cè)試的應(yīng)力參數(shù)。整個(gè)測(cè)試過程均在穩(wěn)定的25 °C實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行。
對(duì)所得數(shù)據(jù)的分析表明，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試過程之間存在巨大差異（圖3）。
圖3：動(dòng)態(tài)和靜態(tài)柵極應(yīng)力測(cè)量結(jié)果的比較。
根據(jù)圖形可知二者差異顯著，特別在柵極閾值電壓漂移方面。動(dòng)態(tài)測(cè)試中，經(jīng)過300千兆周期后，柵極閾值電壓出現(xiàn)大于4V的明顯漂移。而靜態(tài)測(cè)試中未觀察到這種漂移效應(yīng)。標(biāo)準(zhǔn)MOSFET的漂移約為0.5 V，而動(dòng)態(tài)測(cè)試中的漂移較正常值高出7倍。對(duì)于多數(shù)電路而言，這種電壓升高可能會(huì)導(dǎo)致性能顯著下降甚至電路故障。SET GmbH在動(dòng)態(tài)測(cè)試中多次識(shí)別到這些偏差； 但在靜態(tài)測(cè)試中未發(fā)現(xiàn)此類漂移。
此外，進(jìn)一步研究了柵極閾值電壓的變化與RDSon電阻之間的關(guān)系。圖4則基于圖3中第一次測(cè)試的測(cè)量結(jié)果，明確說明了閾值電壓漂移和RDSon電阻之間的關(guān)系?？梢约僭O(shè)，當(dāng)柵極閾值電壓發(fā)生漂移時(shí)，RDSon電阻也會(huì)根據(jù)組件的特性數(shù)據(jù)曲線而變化。這一關(guān)系會(huì)在運(yùn)行過程中影響組件效率，因此，也會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車行駛里程等實(shí)際應(yīng)用造成影響。根據(jù)測(cè)試期間的連續(xù)測(cè)量結(jié)果來估計(jì)工作條件下的具體影響。
圖4：DUT的閾值電壓與Rds(on)電阻之間的相關(guān)性。
為不斷加深對(duì)SiC功率半導(dǎo)體現(xiàn)象的理解，應(yīng)繼續(xù)進(jìn)一步發(fā)展DGS測(cè)試和所有其他動(dòng)態(tài)測(cè)試過程。特別是對(duì)于長(zhǎng)期分析的建模，應(yīng)收集盡可能多的數(shù)據(jù)，以便開發(fā)可靠的功率半導(dǎo)體來應(yīng)對(duì)未來的挑戰(zhàn)。
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