1200V CoolSiCTM MOSFET兼具高性能與高可靠性

作者 Marc Buschkühle 英飛凌科技股份公司

摘要：SiC在電源轉(zhuǎn)換器的尺寸、重量和/或能效等方面具有優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，要進(jìn)行大批量生產(chǎn)，逆變器除了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能之外，還必須具備適當(dāng)?shù)目煽啃裕约白銐虻拈撝惦妷汉鸵詰?yīng)用為導(dǎo)向的短路耐受能力等?？膳cIGBT兼容的V_GS=15V導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)電壓，以便從IGBT輕松改用SiC MOSFET解決方案。英飛凌的1200V CoolSiCTM MOSFET可滿足這些要求。

引言

　　研發(fā)以T- MOSFET設(shè)計(jì)為輔的CoolSiC?，是為了抑制導(dǎo)通及關(guān)斷狀態(tài)下柵極氧化層內(nèi)的電場(chǎng)。在1200V電壓等級(jí)的導(dǎo)通電阻頗具吸引力，哪怕以穩(wěn)定的可復(fù)制的方式進(jìn)行大批量生產(chǎn)，也可以實(shí)現(xiàn)這樣的導(dǎo)通電阻。已在VGS=15V驅(qū)動(dòng)電壓等級(jí)下實(shí)現(xiàn)的低導(dǎo)通電阻和超過(guò)4V的柵極-源極閾值電壓，在SiC晶體管領(lǐng)域樹(shù)立了標(biāo)桿。必須滿足這些限制條件，才可能將硅功率半導(dǎo)體領(lǐng)域成熟的質(zhì)量保證措施轉(zhuǎn)而用于SiC器件，以確保實(shí)現(xiàn)工業(yè)乃至汽車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域所要求的故障率(FIT)。

　　對(duì)于快速開(kāi)關(guān)IGBT和SiC晶體管，封裝設(shè)計(jì)同樣重要。

　　當(dāng)前市場(chǎng)上的功率模塊平臺(tái)中，有些封裝非常有利于實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)關(guān)SiC器件。雜散電感必須盡可能低，此外還需要高度對(duì)稱的設(shè)計(jì)。

　　舉例來(lái)講，Easy-Module平臺(tái)注定將用于SiC器件。與眾所周知的基于襯底的標(biāo)準(zhǔn)封裝不同，Easy-Module平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)高度對(duì)稱的低電感設(shè)計(jì)。為此，利用通用靈活的Easy1B功率模塊， 實(shí)現(xiàn)了首批針對(duì)光伏系統(tǒng)、非車(chē)載充電器和不間斷電源等應(yīng)用而優(yōu)化的SiC半橋和升壓器解決方案。

　　Easy模塊的靈活針柵可簡(jiǎn)化電路板布局，實(shí)現(xiàn)低于10 nH的雜散電感。這是一個(gè)巨大的進(jìn)步，較之諸如EconoDUAL?等現(xiàn)有解決方案或標(biāo)準(zhǔn)SIXPACK設(shè)計(jì)，降低70%~80%。它代表著功率模塊設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重大創(chuàng)新。

　　圖1所示為首批產(chǎn)品概覽。所列產(chǎn)品只是大批量?jī)?yōu)化型CoolSiC? MOSFET系列的首批產(chǎn)品，還有更多器件目前正在開(kāi)發(fā)之中。

器件設(shè)計(jì)理念

　　SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗通常很低，并且?guī)缀醪皇軠囟扔绊?。高?jí)設(shè)計(jì)工作者將單位面積導(dǎo)通電阻作為特定技術(shù)的主要基準(zhǔn)參數(shù)。對(duì)于基于4H-SiC的平面MOSFET，必須克服導(dǎo)帶附近的超高界面陷阱密度。這會(huì)導(dǎo)致很低通道遷移率，從而使通道電阻占總導(dǎo)通電阻的很大比重。形形色色的基于SiC MOSFET的器件，都存在很高缺陷密度。經(jīng)驗(yàn)表明，克服這一困境的方法是提高導(dǎo)通狀態(tài)下施加在氧化層上的電場(chǎng)強(qiáng)度，達(dá)到高于硅基MOSFET器件的典型值。導(dǎo)通狀態(tài)下，氧化層內(nèi)的高電場(chǎng)有可能加劇老化。這可能危及長(zhǎng)期可靠性，特別是就SiC襯底的高缺陷密度而言。

　　根據(jù)這些考量，顯然就氧化層電場(chǎng)應(yīng)力而言，采用SiC技術(shù)的平面MOSFET器件事實(shí)上有兩個(gè)敏感區(qū)域，如圖2左側(cè)所示。

　　首先，通常討論的是，漂移區(qū)與柵極氧化層間界面附近的最高電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的反向模式下的應(yīng)力，其次是柵極與源極之間的重疊區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)通狀態(tài)下的應(yīng)力。

　　導(dǎo)通狀態(tài)下的高電場(chǎng)更為危險(xiǎn)，因?yàn)槠骷O(shè)計(jì)未采取任何措施來(lái)降低導(dǎo)通狀態(tài)下的電場(chǎng)應(yīng)力。因此，總體目標(biāo)是器件既要利用SiC技術(shù)實(shí)現(xiàn)很低的RDSon，又要采用仍能實(shí)現(xiàn)經(jīng)深入研究的安全的氧化層場(chǎng)強(qiáng)狀態(tài)的運(yùn)行模式。在導(dǎo)通狀態(tài)下，通過(guò)從存在高缺陷密度的平面表面，改為其他更有利的表面定向，可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

柵極氧化層可靠性

　　關(guān)于SiC MOS器件的柵極氧化層可靠性，挑戰(zhàn)是確保在設(shè)計(jì)使用壽命期限內(nèi)和特定運(yùn)行條件下，實(shí)現(xiàn)足夠低的故障率，包括非本征缺陷。典型行業(yè)要求為20年運(yùn)行期內(nèi)低于100 ppm。SiC MOS器件柵極氧化層的非本征缺陷的根源主要在于襯底材料和外延工藝的缺陷，另外，其余工藝過(guò)程也有一些影響。對(duì)商用MOSFET產(chǎn)品進(jìn)行的試驗(yàn)顯示，對(duì)于工業(yè)系統(tǒng)的應(yīng)用，這個(gè)問(wèn)題依然十分嚴(yán)峻。

　　因此，采用大量器件進(jìn)行了長(zhǎng)期試驗(yàn)，以研究英飛凌CoolSiC? MOSFET的柵極氧化層非本征故障率。試驗(yàn)采用兩組每組各1000個(gè)單管器件進(jìn)行，在150℃和恒定柵偏應(yīng)力下進(jìn)行測(cè)試，連續(xù)執(zhí)行三個(gè)100天。圖3總結(jié)了試驗(yàn)結(jié)果。每隔100天，柵源電壓增加+5 V。

　　這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)非常符合線性E-Model。確定了與圖3內(nèi)的實(shí)線最吻合的加速系數(shù)。

　　根據(jù)這一結(jié)果，對(duì)器件以推薦電壓等級(jí)運(yùn)行20年進(jìn)行推算，模型預(yù)測(cè)出故障率為0.2 ppm。因此，這個(gè)證據(jù)表明，其柵極氧化層的可靠性與IGBT類(lèi)似，完全滿足典型工業(yè)要求。

　　圖3長(zhǎng)期試驗(yàn)：圖3中所示為故障次數(shù)隨應(yīng)力天數(shù)的變化。試驗(yàn)采用兩組每組各1000個(gè)單管器件進(jìn)行，試驗(yàn)條件為150℃和恒定柵極電壓V_GS，如圖3所示。每隔100天，V_GS增加5V。每個(gè)點(diǎn)表示一次故障。實(shí)線代表線性E模型的預(yù)測(cè)。

動(dòng)態(tài)性能

　　作為單極器件，SiC MOSFET的動(dòng)態(tài)性能主要取決于其電容。該器件經(jīng)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，相比于輸入電容C_iss，其柵極漏極反向電容C_rss很小。這有利于防止MOSFET在半橋模式下運(yùn)行時(shí)，形成寄生導(dǎo)通效應(yīng)和復(fù)雜的柵極驅(qū)動(dòng)電路。

　　圖4所示為4管腳TO-247封裝單元器件產(chǎn)生的典型開(kāi)關(guān)損耗，作為漏極電流的函數(shù)。關(guān)斷能量E_off幾乎不受負(fù)載電流影響，因?yàn)樗Q于電容，而導(dǎo)通能量E_on則隨電流線性增加。