碳化硅MOSFET的短路實驗性能與有限元分析法熱模型的開發
前言：
D.Cavallaro*, M.Pulvirenti, E.Zanetti, M. Saggio
前言
就目前而言，碳化硅(SiC)材料具有極佳的的電學和熱學性質，使得碳化硅功率器件在性能方面已經超越硅產品。在需要高開關頻率和低電能損耗的應用中，碳化硅MOSFET正在取代標準硅器件。半導體技術要想發展必須解決可靠性問題，因為有些應用領域對可靠性要求十分嚴格，例如：汽車、飛機、制造業和再生能源。典型的功率轉換器及相關功率電子元件必須嚴格遵守電氣安全規則，要能在惡劣條件下保持正常工作，其魯棒性能夠耐受短路這種最危險的臨界事件的沖擊 [1]。
沒有設備能夠監測微秒級功率脈沖引起的器件內部溫度升高，當脈沖非常短時，只能用模擬方法估算晶體管結構內部和相鄰層的溫度上升。此外，溫度估算及其與已知臨界值的相關性將能解釋實驗觀察到的失效模式。
在這種情況下，模擬工具和分析方法起著重要作用，因為了解在極端測試條件下結構內部發生的現象，有助于解決如何強化技術本身的魯棒性問題，從而節省開發時間[2]，[3]。
本文簡要介紹了650V、45mΩ碳化硅功率MOSFET樣品的短路實驗，以及相關的失效分析和建模策略。
短路試驗分析與結構模擬
短路試驗分析與結構模擬
在做短路實驗(SCT)前，先用電壓電流曲線測量儀對待測樣品的柵極氧化層進行完整性測試，如圖1(a)所示。然后，對待測器件進行動態表征測試，評估其開關特性。 圖1(b)所示是典型開關表征的等效電路圖。圖1(c)所示是相關實驗的波形：Vgs、Vds、Id，以及在VDD = 400V、20A負載電流、Vgs=-5/20V、Rg =4.7Ω關斷時的功率分布Poff。計算出關斷能量Eoff，取值約25?J。
圖1(a)柵極氧化層測量，（b）開關表征等效電路（c）典型的關斷波形
圖2(a)所示是短路實驗的試驗臺，圖2(b)所示是實驗等效電路圖。
圖2實驗裝置：（a）試驗臺，（b）等效電路
圖3(a)所示是樣品1在失效條件下的短路實驗波形。施加一串時間寬度增量為250ns的單脈沖達到失效點。觀察到脈沖間延遲為5秒。在VDD = 400V、Vgs = 0/20V和Rg =4.7Ω的條件下，樣品1順利完成tsc=5,75?s脈沖短路實驗。
圖3(a)短路試驗動態波形 (b)和(c)柵極氧化層電學表征
(d)短路試驗導致柵極氧化層退化后的關斷波形
在這個時步里，脈沖無法顯示失效模式，需要在下一個時步(tsc=6?s)中去驗證，此時，柵極氧化層被不可逆地損壞。觀察到漏極電流Id和Vgs下降（圖3(a)）。在圖3(b)中觀察到的損壞是短路能量(Esc)過高導致的柵極氧化層失效，并且用曲線測量儀證實失效存在，如圖3(c)所示。觀察到的柵極氧化層退化與Eoff性能的動態變化相關，如圖3(d)所示。
隨后，對失效器件進行失效分析，在后側和前側用光電子能譜確定缺陷位置，并用聚焦離子束方法進行“熱點”截面分析。 圖4所示的物理缺陷本質上是多晶硅層熔化，與電廢料一致。
圖4：退化后物理分析
表1總結了測試器件中兩個樣品的實驗結果，從測量結果看，兩個樣品的損耗程度不同。 樣品1的本征柵源電阻為3.3kΩ，除連續柵極電流吸收異常外，MOSFET的其它功能未受任何影響。相對于標準操作條件，樣品2本征柵源電阻低很多，而柵極吸收電流卻升高。即使開關能量在受損最嚴重的樣品上顯著提高，兩個樣品仍然能夠維持功能正常，如圖3（d）所示。
表1短路實驗最終結果和樣品特性。
|
樣品 |
Vth [V] @1mA |
RDSON [m?] @ VGS=20V ID=20A |
柵極氧化層完整性 |
EOFF [?J] @ VDS=400V, VGS=-5/20V RG=4.7?, ID=20A |
tsc [?s] |
||||
|
|
實驗前 |
試驗后 |
實驗前 |
試驗后 |
實驗前 |
試驗后 |
實驗前 |
試驗后 |
|
|
1 |
2.74 |
2.4 |
46.4 |
46.5 |
正常 |
失效 RGS=3.3k? |
25 |
28 |
6 |
|
2 |
2.57 |
0 |
44 |
/ |
正常 |
Fail. RGS=18? |
26 |
220 |
5.75 |
因此，為了解釋失效機理，我們使用Silvaco工具[4]在短路實驗靜態條件下進行結構模擬，如圖5（a）所示，并且提取了碳化硅結構內部電壓/電流密度分布數據，如圖5（b）所示。 在Atlas（用于器件模擬的Silvaco工具）中，FE器件的柵極偏壓最高20V，漏極觸點偏壓最高400V。使用實驗數據集微調傳導模型，以便在飽和條件下也能取得適合的閾值電壓或I-V特性。柵極氧化層與碳化硅界面處的狀態能量密度分布，各向異性遷移率值和電子飽和速度，是在實驗數據和模擬輸出之間實現良好匹配的關鍵參數。 傳導模型可提供在短路實驗期間芯片上耗散功率的精確分布，所以傳導模型微調對建模策略具有非常重要的意義。
圖5 Silvaco工具：（a）模擬的垂直剖面圖 （b）功率分布圖
本文提出的建模方法就是，使用Silvaco工具進行結構模擬，根據模擬輸出的功率分布數據，為有限元方法(Comsol Multiphysics[5])物理模型提供隨時間變化的功率分布實驗數據。 該模型專門用于研究類似于持續幾微秒的短路類事件，理解并解釋在短功率脈沖期間碳化硅MOSFET結構內部發生的情況，同時將碳化硅的熱特性（熱導率和熱容量）視為溫度的函數。利用這個新模型研究內部結構的熱行為，并評估結和周圍層的溫度。圖6(a)和圖6(b)所示是溫度達到峰值時的熱圖和熱通量，指示了最高溫度所在的位置(圖6(a))以及在整個結構內部熱量是如何傳遞的（圖6(b))。熱分布可發現短路試驗主要涉及器件的哪些部分，解釋實驗觀察到的失效模式。圖6(c)顯示了不同層的溫度分布與時間的關系：溫度峰值是結構頂層的溫度，與當前已知的臨界值一致[6]。
圖6（a）3D熱圖，（b）熱通量和（c）短路期間的溫度分布。
結論
本文創建的有限元熱模型考慮到了MOSFET的物理結構和試驗數據。該建模方法能夠估算在短功率脈沖特別是短路實驗條件下，結和周圍層中的溫度分布情況，解釋了實驗觀察到的失效現象。
鑒于沒有設備能夠準確地檢測到如此短暫的脈沖在被測器件上產生的溫度上升，并且典型熱模型是為量產封裝或系統器件開發的，無法有效地用于分析此類事件，因此，試驗結果對建模策略實施具有非常重要的意義。
致謝
本文部分實驗是在ECSEL JU項目WInSiC4AP（高級電源寬帶間隙創新SiC）的框架內進行的，授權協議編號：737483
參考文獻
[1] Y. Shi, at al., Switching Characterization and Short-Circuit Protection of 1200 V SiC MOSFET T-Type Module in PV Inverter Application, IEEE Trans. on Ind. Elec., vol. 64, no. 11, pp.: 9135-9143, Nov. 2017.
[2] G. Romano, at al., A Comprehensive Study of Short-Circuit Ruggedness of Silicon Carbide Power MOSFETs, IEEE J. Em. and Sel. Top. In Power Elec., vol. 4, no. 3, pp.978-986.
[3] L.Ceccarelli at al., Compact Electro-Thermal Modeling of a SiC MOSFET Power Module under Short-Circuit Conditions, IECON 2017, pp: 4879-4884.
[4] ATLAS User’s Manual, SILVACO, Inc.
[5] Comsol Multiphysics® User’s Guide.
[6] Z.Wang at al., Temperature-Dependent Short-Circuit Capability of Silicon Carbide Power MOSFETs, IEEE Trans. On Power Electr., Vol. 31, no. 2, Feb. 2016
