英飛凌如何控制和保證基于 SiC 的功率半導(dǎo)體器件的可靠性

阿里達(dá)摩院發(fā)表了2021十大科技趨勢，令業(yè)內(nèi)歡欣鼓舞的是“以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體迎來應(yīng)用大爆發(fā)”列為十大之首。未來幾年，以氮化鎵和碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體將在材料生長、器件制備等技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破，并應(yīng)用于在光伏、充電、新能源汽車等新興領(lǐng)域。

碳化硅MOSFET在許多方面優(yōu)于IGBT的卓越性能不用質(zhì)疑。但與此同時(shí)，因其材料、結(jié)構(gòu)的特殊性，碳化硅MOSFET的可靠性與壽命也一直是工程師們關(guān)注與討論的熱點(diǎn)。相比硅基IGBT，碳化硅MOSFET需要特殊的工藝、設(shè)計(jì)和測試來保證可靠性。

SiC能使用硅器件的許多著名概念和工藝技術(shù)，其中包括基本的器件設(shè)計(jì)，如垂直型肖特基二極管或垂直型功率MOSFET。因此，用于驗(yàn)證硅器件長期穩(wěn)定性的許多方法可以直接用到SiC上。但更深入的分析表明，基于SiC的器件還需要進(jìn)行一些不同于Si器件的額外可靠性試驗(yàn)。這是因?yàn)椋?/p>

■ SiC材料本身具有的特定缺陷結(jié)構(gòu)、各向異性、機(jī)械性能和熱性能等

■ 更大的帶隙及其對(duì)MOS器件的界面陷阱密度和動(dòng)力特性的影響

■ 材料本身及器件終端在運(yùn)行中高達(dá)10倍的電場強(qiáng)度，以及高電場強(qiáng)度對(duì)氧化層壽命的影響

■ 高壓運(yùn)行（VDS>1000V）與快速開關(guān)（> 50V/ns）相結(jié)合的新運(yùn)行模式

所列項(xiàng)目可能對(duì)所有既有的質(zhì)量認(rèn)證試驗(yàn)都有影響。由于力學(xué)特性不同，功率循環(huán)二次試驗(yàn)所得的結(jié)果也會(huì)不同。與基于硅的功率器件不同的是，SiC的氧化層可靠性試驗(yàn)設(shè)置還必須涵蓋阻斷模式下的穩(wěn)定性。此外，許多現(xiàn)有的、用于規(guī)范加速試驗(yàn)的合格標(biāo)準(zhǔn)，都必須利用模型推斷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使其與現(xiàn)實(shí)世界里的應(yīng)用條件建立關(guān)聯(lián)。必須驗(yàn)證這些模型參數(shù)對(duì)于SiC的適用性和準(zhǔn)確性。

在過去25年里開發(fā)和生產(chǎn)基于SiC的功率器件的過程中，英飛凌對(duì)所有這些項(xiàng)目進(jìn)行了深入的分析。一邊開發(fā)新試驗(yàn)用于測試基于硅的功率半導(dǎo)體器件所沒有的不同運(yùn)行模式，一邊改進(jìn)其他試驗(yàn)以考慮到SiC特有的要求。必須強(qiáng)調(diào)的是，特性鑒定和驗(yàn)證體系的主要組成部分是基于應(yīng)用條件的應(yīng)力分析。這樣做是為了能夠評(píng)估SiC器件的臨界運(yùn)行條件，并了解新的潛在失效機(jī)制。

為此，我們準(zhǔn)備了一系列文章，來介紹碳化硅MOSFET失效機(jī)理、應(yīng)對(duì)措施以及認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。我們會(huì)聚集于介紹碳化硅MOSFET柵極氧化層可靠性、交流和直流偏壓溫度不穩(wěn)定性、體二極管退化、抗短路和宇宙射線能力、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和汽車級(jí)認(rèn)證等8大話題，為你帶來最全面的碳化硅可靠性分析。