在當今這一代，電力電子設備幾乎在從交流適配器到傳輸系統的各個領域都有應用。這些器件包含硅 (Si) 作為低壓和高壓器件的主要元素。然而，隨著半導體行業的最新進展，碳化硅 (SiC) 已被證明是硅基 MOSFET 的繼任者，因為它具有高電壓阻斷和高開關頻率等寬禁帶特性。

對于功率器件，可靠性和穩健性是高壓應用需要考慮的關鍵因素。因此，對于SiC MOSFET，在廣泛用于高壓應用之前，需要進行適當的研究和評估。

電壓 (Vth) 不穩定性

電壓不穩定是由于電子電路的電力系統未能維持所有母線的電壓水平，進而導致無功功率供需失衡

A. 溫度不穩定性：在不同電壓等級的器件中，SiC MOSFET 的閾值電壓溫度升高范圍從室溫到 300°C，如圖 1 所示。

圖 1：正負溫度變化的實驗 Vth

正如觀察到的，具有標準 N2O 氧化的系統顯示負 ΔVth，而用硼處理的 MOSFET 顯示正 ΔVth，因為閾值的偏移與 SiO2/SiC 界面的電荷相關。在這種情況下可能會發生兩種可能性——導致電路導通電阻增加的正溫度 Vth 系數和導致正常開啟操作的負溫度 Vth 系數，從而增加柵極驅動器的復雜性。

B. 偏置應力不穩定性：偏置應力不穩定性與 SiO2/Si 界面中存在的陷阱、電荷和缺陷有關，這些缺陷會導致 Vth 的差異。圖 2 顯示了專為 WBG 器件設計的柵極應力模式，其應力時間為 3 小時。這些測試是通過在 -5V 和 +25V 之間循環 MOSFET 柵極來完成的。

圖 2：偏置應力不穩定性應力模式

如圖所示，當漏極電壓為 VDS = 0.1V 時，給出的最大正偏置應力為 +25V。Vth 值是從在從負偏壓和正偏壓轉換期間測量的 IDS(VGS) 引腳獲得的。

測試 SiC MOSFET 的可靠性

為了分析 SiC MOSFET 的穩健性，進行了各種可靠性測試。針對 SiC MOSFET 的各個關鍵區域考慮了設計和技術的可靠性。

圖 3：BSI 測試結果

圖 3a 顯示了 BSI 應力測試在 150°C 下對 4.5 kV 額定 25 mm2 閾值電壓的結果，沒有硼處理，圖 3b 顯示了硼處理的結果

短路：如圖 4 所示，短路行為已在電路處于阻塞模式 (VGS = -5V)、總線電壓設置為 55%、柵極脈沖為 25V 時進行了分析。

圖 4：短路測試

額定電壓為 3.3kV 的 MOSFET 在室溫下的波形如下圖所示。

圖 5：3.3kV 額定 MOSFET 的短路波形

短路故障的主要原因是輸出能量施加的高內部溫度升高。為了避免這個問題，使用較大的單元間距是有益的，因為它具有較低的通道密度和較大的散熱面積。

功率循環：進行功率循環測試以進一步檢查 SiC MOSFET 的穩健性，其中 10 萬次 10ms 半正弦波循環施加到漏極。功率循環是根據 MOSFET 的自愈特性進行的，并且在大量恒流脈沖后耗散能量的演變中會吸收變化。針對柵極偏壓的變化考慮了兩種靜止方案，以檢查器件單位單元的受影響區域。

圖 6：電源循環測試

高溫高壓開關：使用雙脈沖測試 (DPT) 開關電路，使用另一部分的內置體二極管測試 MOSFET 的動態性能，如圖 7 所示。

圖 7：DPT 開關電路

觀察到制造的器件能夠在具有顯著大過沖的高總線電壓下切換。圖 9 顯示了使用 RG 評估的開啟和關閉特性。

圖 8 額定電壓為 3.3 kV 的 SiC MOSFET 的開關波形

雙極退化：平面 MOSFET 具有電流反向傳導的特性，允許負漏極電壓的電流流動。有一個內置的pin二極管，由p和n層組成，在應用過程中可以反并聯導通。圖 9 顯示了 4.5kV MOSFET 的 IDS(VDS) 特性。觀察到接近 SiC PN 內置電位的身體的膝點電壓，同時觀察到溫度升高期間的電壓變化。

圖 9：IDS(VDS) 特性

這些情況通常不會出現在純 PiN 二極管中，也無法通過仿真重現。在多個 25mm2 3.3 kV MOSFET 的 PiN 二極管上進行進一步雙極退化測試，以檢查測試樣品的可能退化。在這里，柵極偏壓設置為 -6V，以確保電流僅流過 PiN。對于這個測試，20A·cm-2 的源電流密度持續 10 小時，同時監測 Vf。

圖 10:10 h 20 A·cm-2 雙極衰減測試

結果表明，兩個測試器件的體二極管和正向壓降 VF 均有所增加。器件 1 中的正向電壓漂移也可以忽略不計，僅為 40 mV，而器件 2 的漂移更高，ΔVF=370 mV。這種電壓漂移是不可逆的，它顯示了由于存在堆垛層錯而導致的 PiN 雙極退化，這對 MOSFET 性能沒有任何明顯影響。

結論

MOSFET 在高壓應用中的穩健性至關重要，因為它們在各種電力電子設備中發揮著重要作用。MOSFET 在用于任何設備或系統之前必須通過各種測試。Vth 漂移通過針對 WBG 設備的特定測試進行了測試。在澆口部分的存在對高于 100°C 的閾值穩定性有負面影響。在閾值偏移期間沒有永久性損壞，并且在壓力測試后 Vth 完全恢復。

最佳的單元電池設計將是短路時間和輸出電流之間的最佳解決方案。還進行了 100 萬次不影響輸出性能的功率循環測試。制造的器件可以在高溫下在高總線電壓下切換，但在某些條件下存在顯著的閾值漂移，導致其電氣特性的退化，這是由它們的傳輸特性的變化引起的。這個問題后來歸因于在導通狀態和關斷狀態下柵極下方的內部自熱的組合。這可以通過增加質量和散熱片來改善，也可以通過在 MOSFET 中使用導熱油脂來降低熱阻，以獲得更好的散熱片。

上述結果提供了相當好的魯棒性，因此有必要探索替代柵極堆疊形成以獲得高性能和可靠的 SiC MOSFET。

　　審核編輯：湯梓紅