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近年來，隨著碳化硅（SiC）在材料生長和器件加工方面取得長足的進(jìn)步，基于SiC材料的功率半導(dǎo)體器件在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出越來越多的應(yīng)用，例如金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）。SiC MOSFET以其高臨界擊穿場強、高開關(guān)頻率、耐高溫等突出優(yōu)點，更加適合高壓、高頻、高溫等應(yīng)用場合。隨著SiC MOSFET的逐步商業(yè)應(yīng)用，其長期運行可靠性問題開始受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視。

盡管SiC材料能夠耐受高溫，理論上可以達(dá)到500℃，但是受限于封裝技術(shù)等方面的制約，目前SiC器件仍采用傳統(tǒng)Si器件的封裝技術(shù)，無法發(fā)揮其高溫工作的特性，市面上SiC MOSFET產(chǎn)品的最高工作溫度均沒有超過200℃，因此可以認(rèn)為，封裝技術(shù)是限制SiC器件在高溫下應(yīng)用的主要原因。同時，由于制造成本高，SiC芯片面積較小，這將意味著相對較高的功率密度和工作溫度。而且較之于Si芯片，SiC芯片的楊氏模量更大（大約是前者的3倍）。這些問題將導(dǎo)致SiC器件在工作過程中更容易出現(xiàn)因熱應(yīng)力產(chǎn)生的封裝材料老化問題，可靠性問題更加嚴(yán)峻。

功率循環(huán)試驗是研究熱應(yīng)力加速老化試驗條件下可靠性的有效方法，是進(jìn)行器件失效機(jī)理分析和壽命評估最有效的手段。通過給被測器件施加相應(yīng)的負(fù)載電流使得器件結(jié)溫升高達(dá)到指定結(jié)溫，然后切斷負(fù)載電流使其降溫，如此反復(fù)升溫和降溫過程以達(dá)到使器件老化的目的，也稱為主動溫度循環(huán)。

目前，主流功率循環(huán)試驗主要讓器件工作在導(dǎo)通模式，依靠導(dǎo)通損耗來產(chǎn)生結(jié)溫波動。對于絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和二極管這種單一導(dǎo)通模式的器件，功率循環(huán)試驗方法是確定的。MOSFET由于元胞結(jié)構(gòu)的特點，存在正向MOSFET模式、反向MOSFET模式和體二極管模式三種導(dǎo)通模式。

不同導(dǎo)通模式下器件的特性不同，導(dǎo)致功率循環(huán)試驗方法不同，由此產(chǎn)生的失效機(jī)理和壽命可能會存在差異。有學(xué)者對MOSFET器件的功率循環(huán)試驗方法也沒有明確規(guī)定，并且提到可以使用體二極管模式，由此造成不同試驗方法之間具有等效性的錯覺，然而目前并沒有相關(guān)研究對此進(jìn)行分析。

另外，傳統(tǒng)的基于Si器件的功率循環(huán)試驗方法和失效標(biāo)準(zhǔn)可能不適用于新型的SiC MOSFET器件。眾所周知，SiC MOSFET區(qū)別于Si MOSFET的一個重要特征是SiC/SiO2界面存在著大量的界面陷阱。界面陷阱能夠捕獲溝道載流子，造成閾值電壓漂移，漂移程度很大程度上取決于施加的柵極電壓。

在正向柵極偏壓下，界面缺陷捕獲溝道中的電子造成閾值電壓正向漂移，而在反向柵極偏壓下，界面缺陷捕獲溝道中的空穴造成閾值電壓反向漂移。閾值電壓漂移最直接的影響就是造成芯片通態(tài)電阻的變化，進(jìn)而影響通態(tài)壓降和結(jié)溫，給SiC MOSFET功率循環(huán)試驗增加了難度。

華北電力大學(xué)的研究人員對SiC MOSFET在不同導(dǎo)通模式下進(jìn)行了功率循環(huán)試驗，探究和對比了其在不同老化試驗方法下的失效機(jī)理和失效表征參數(shù)的變化規(guī)律。

圖1 試驗裝置實物

首先，基于器件在不同導(dǎo)通模式下的特性分析，重點對比正向MOSFET模式和體二極管模式，其中體二極管模式下的功率循環(huán)方法簡單且容易實現(xiàn)，而正向MOSFET模式下，為了將閾值電壓漂移的影響最小化，提出了一種判斷準(zhǔn)則以及相應(yīng)的功率循環(huán)試驗方法，并在老化試驗過程中實現(xiàn)結(jié)溫、通態(tài)壓降和熱阻的在線測量。

最后，基于實驗結(jié)果，分析了不同功率循環(huán)試驗方法對器件的老化規(guī)律、失效機(jī)理及壽命的影響，為SiC MOSFET的功率循環(huán)試驗老化方法提供了理論指導(dǎo)，并揭示了影響SiC MOSFET封裝可靠性的主要因素。

SiC MOSFET憑借其優(yōu)異的電熱特性，正逐漸投入市場，長期運行的可靠性成為關(guān)注的重點，功率循環(huán)試驗是考核器件可靠性最重要的老化試驗。MOSFET具有三種導(dǎo)通模式，分別對應(yīng)三種不同的功率循環(huán)測試方法。華北電力大學(xué)的研究人員對SiC MOSFET在正向MOSFET模式和體二極管模式下進(jìn)行功率循環(huán)試驗，對比分析不同試驗方法對器件的老化規(guī)律、失效機(jī)理及壽命的影響，從實驗結(jié)果中得到如下結(jié)論：

1）小電流下體二極管壓降可以作為溫敏電參數(shù)用于SiC MOSFET的結(jié)溫測量，應(yīng)用該方法時柵極需要加一定的負(fù)壓使溝道區(qū)被徹底關(guān)斷。

2）閾值電壓漂移幾乎與柵極電壓的大小和持續(xù)時間成正比，當(dāng)正向偏壓的大小和持續(xù)時間的乘積與反向偏壓的大小和持續(xù)時間的乘積相同時，可以使得閾值電壓漂移最小化，隔離其對鍵合線失效表征參數(shù)通態(tài)壓降的影響。

3）正向MOSFET模式下通態(tài)壓降具有正溫度特性，當(dāng)鍵合線出現(xiàn)老化之后，電熱正反饋機(jī)制會加速老化過程，而二極管模式下通態(tài)壓降具有負(fù)溫度特性，由此產(chǎn)生的負(fù)反饋機(jī)制能夠抑制老化進(jìn)程，對老化起到一定的補償作用。

4）對于具有電熱負(fù)反饋機(jī)制的二極管模式，傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中通態(tài)壓降超過初始值5%即定義為失效，會低估器件的功率循環(huán)壽命，當(dāng)考慮有效循環(huán)壽命，在相同熱力條件下，二極管模式下的壽命約為正向MOSFET模式下的兩倍。

以上研究成果發(fā)表在2020年第24期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“不同老化試驗方法下SiC MOSFET失效機(jī)理分析”，作者為陳杰、鄧二平、趙子軒、吳宇軒、黃永章。