了解半導體器件的失效模式是制定篩選、鑒定和可靠性測試的關鍵，這些測試可以確保器件在數據表規定的限制范圍內運行，并滿足汽車和其他電力轉換應用中對每十億個部件的日益嚴格的失效率要求。本文將討論對碳化硅MOSFET器件進行的柵極開關應力(GSS)測試。

碳化硅MOSFET中的直流與交流柵極應力效應

碳化硅MOSFET的柵氧化層可靠性多年來一直是研究的重點。研究發現，氧化物/碳化硅界面會導致閾值電壓(Vth)、導通狀態電阻(RDS(on))等關鍵器件參數的顯著變化及早期失效。柵氧化處理的改進，包括氮化處理，顯著提高了在標準可靠性和鑒定測試下柵氧化層的內在可靠性。這些測試中，有一些源自硅器件測試，包括：

·時間依賴性介質擊穿測試，通常在加速條件下對電容器進行恒定應力，以推導出額定條件下的失效時間曲線。

·高溫柵偏置鑒定，對封裝器件進行恒定的柵偏置，達到最大柵極和溫度規格，同時漏源電壓(VDS)為0 V。

·偏壓-溫度-不穩定性(BTI)可靠性測試，在恒定偏壓下進行。

在直流偏置條件下，碳化硅MOSFET的Vth漂移通常大于硅MOSFET。此外，許多研究致力于在應用特定條件下測試這種漂移，這種條件通常是器件切換的狀態。這些切換瞬態可能導致柵源電壓(VGS)的過沖/欠沖，受多個因素的影響，例如開啟和關閉的過渡速率、內部器件電容以及可能設計在內的外部元件(如柵電阻)或寄生效應(如鍵合線電感)。

GSS測試的提議是讓柵極在器件的最大指定溫度下經歷重復的切換周期，同時保持VDS為0 V。該測試現已成為JEDEC JEP195指導方針的一部分。

對GSS行為的研究表明：

·AC循環導致的Vth漂移依賴于切換周期數(Ncycles)，可以表示為?Vth = Ao × Ncycles^n，其中指數n會有所變化。

·在大約107 Ncycles以下，退化遵循常數n ≈ 0.16，這通常是在DC-BTI應力下表現出的。

·超過108 Ncycles時，n增加到≈ 0.32，這種行為在DC應力下未見到。該漂移的表現如圖1所示。

·應力時間超過≈ 1e11 Ncycles時，顯示出飽和的較低漂移速率，n ≈ 0.1。

·Vth的漂移與最大和最小VGS切換水平有很大關系，越來越負的VGS_low值會導致更強的漂移。通常建議在關閉碳化硅MOSFET時使用負VGS，尤其是在硬切換條件下，以減少由于米勒電容耦合導致的誤開啟風險，并降低開關損耗。

·GSS導致的Vth漂移在很大程度上是不可恢復的，與DC-BTI應力導致的漂移不同。

從測量的角度來看，高頻測試確保在合理的時間內實現足夠的循環次數，并觀察到GSS漂移。例如，500 kHz的切換頻率可以在1000小時內實現超過1e12次循環。在某些應用中，如太陽能逆變器，這可能不足以模擬預期的20年使用壽命，但可以在合理的信心下進行外推。2這種不可恢復的特性也使得在零件從應力烤箱中取出后，進行外部Vth測量變得更容易。

GSS與ASS的比較

一個重要的問題是，GSS測試是否準確反映了應用切換應力(ASS)下的應力。Gómez等人試圖通過圖2所示的測試設置回答這個問題。ASS配置為升壓轉換器，但其他類似設置用于規范化其他測試條件，尤其是柵驅動。

使用的器件是額定為1200 V的碳化硅MOSFET。測試使用的一些條件為：

·切換頻率 = 100 kHz

·VGS_high = 18 V，VGS_low = -8 V

·柵電阻(RG)= 4.7 Ω

·對于ASS，Vcc = 400 V，負載電流(iL)為1.2 A，?iL(峰值-峰值)為1.6 A

在周期性間隔內進行了外部Vth測量。每種情況下的漂移結果如圖3所示。

受ASS影響的被測器件表現出更大的Vth漂移，升壓轉換器中的低側和高側器件顯示出相似的趨勢。為了確定原因，作者檢查了柵極開關波形并進行了仿真。

開啟波形如圖4所示。盡管10%到90%的切換時間看起來相似，但在ASS期間最大dVGS/dt斜率更高，并表現出更多的振蕩行為。

在這些測試中，電容充電和放電期間的內部瞬態電流分布在亞閾值(sub-Vth)區域是不同的，這被懷疑是導致Vth漂移差異的原因。

MOSFET的米勒柵漏電容(CGD)和輸出電容(CDS)是VDS電壓的函數。這在圖5中有所體現，并展示了這些電流。

在GSS測試中，VDS為0 V。從CGD路徑中電流流動的基本推導，得出VDS切換瞬態的影響：

這可以解釋兩個測量之間瞬態最大dVGS/dt的差異。在實踐中，進行GSS可靠性測試要簡單得多，而改進ASS測試中的最大dVGS/dt匹配的解決方案將是對應用中Vth漂移的更好預測。當然，結果在很大程度上也依賴于外部元件，例如RG和電感路徑。RG對Vth漂移影響的示例如圖6所示。

GSS測試是對碳化硅MOSFET整體可靠性檢查的重要組成部分。Vth漂移導致最終應用中柵極過驅動減少而產生更高的RDS(on)。

在如太陽能逆變器等應用中，器件可能經歷超過1e13次切換周期，準確預測器件行為中的這種漂移對于確保整體系統的正常功能至關重要。將GSS柵波形與實際ASS條件匹配可以確保這一點。