1.短路失效可靠性介紹

SiC MOSFET相比于硅基 IGBT具有更低的短路可靠性，主要表現(xiàn)為器件短路耐受時(shí)間更短以及短路引起的特性退化更為嚴(yán)重。

IGBT?數(shù)據(jù)手冊(cè)中明確指出，器件在一定應(yīng)力條件下可以耐受10s 的短路時(shí)長。對(duì)于?SiC MOSFET?而言，一些研究學(xué)者對(duì)?Cree、ROHM、ST?等公司的?SiC MOSFET?產(chǎn)品進(jìn)行單次短路實(shí)驗(yàn)，均在8s?內(nèi)觀察到了失效現(xiàn)象。由此可見，SiC MOSFET短路耐受時(shí)間短，在可靠性方面與IGBT 相比存在差距。

短路引起的?SiC MOSFET?電學(xué)參數(shù)的退化受到了電、熱、機(jī)械等多種應(yīng)力的作用，其退化機(jī)理需要從外延結(jié)構(gòu)、芯片封裝以及器件可靠性等多方面進(jìn)行論證分析。由此可見，由于?SiC MOSFET 的短路特性退化具有退化參數(shù)多、退化程度大以及退化機(jī)理復(fù)雜等特點(diǎn)，使得其短路可靠性問題的研究變得更為困難。

2.短路失效的兩種典型現(xiàn)象

目前，已有很多學(xué)者從理論推演、實(shí)驗(yàn)觀察、建模仿真及逆向分析等多個(gè)角度對(duì)其?退化失效現(xiàn)象進(jìn)行了分析驗(yàn)證。研究表明，SiC MOSFET 若發(fā)生短路并造成其失效，則可能出現(xiàn)兩種典型的失效現(xiàn)象：柵源極之間短路(G-S短路)和漏源極之間短路(D-S 短路)。 ? 短路故障通常分為以下3類： ? Type I?型短路：該短路類型是指?SiC MOSFET在導(dǎo)通前已處于短路回路中，器件開通即處于短路狀態(tài)，因此該故障類型也叫硬開關(guān)故障(hard switching fault，HSF)。

Type II型短路：SiC MOSFET處在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，若負(fù)載端突然短路，造成不同橋臂間的兩支開關(guān)管出現(xiàn)短路，則將此類故障定義為?Type II 型短路故障，也稱為負(fù)載短路故障(fault under load，F(xiàn)UL)。

Type III 型短路：在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、變頻器等一些應(yīng)用領(lǐng)域，SiC MOSFET 可能運(yùn)行在第三象限，若此時(shí)負(fù)載端發(fā)生短路，則開關(guān)管?LS2 的運(yùn)行狀態(tài)迅速由第三象限轉(zhuǎn)向第一象限。器件由低壓、逆向電流的工作狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)變成高電壓、大電流的短路狀態(tài)。 ?

圖1 三種短路故障的特征對(duì)比

3.失效機(jī)理

目前,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)兩種模式下器件失效機(jī)理的探究已經(jīng)從器件的表面封裝深入到芯片的元胞結(jié)構(gòu)。其失效點(diǎn)主要分為：JFET 區(qū)柵氧層、內(nèi)部寄生NPN晶體管、溝道區(qū)柵氧層、柵極上方氧化層， 如圖2所示。當(dāng)①或②發(fā)生損壞時(shí)，造成器件發(fā)生D-S?短路失效模式；當(dāng)③或④發(fā)生損壞時(shí)，器件發(fā)生?G-S 短路失效模式。 ?

圖2 平面柵 SiC MOSFET 半元胞結(jié)構(gòu)及短路失效點(diǎn)

SiC MOSFET?短路失效的原因可能為高溫引起源極鋁熔化，產(chǎn)生的應(yīng)力破壞了?SiCMOSFET?部分元胞中柵極上方氧化層甚至柵氧層的絕緣結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致器件出現(xiàn)不可控的短路失效。 ?

圖3 SiC MOSFET 失效分析

通過?TCAD?仿真觀察到了圖?2?中②區(qū)域空穴電流的增加，并且仿真觀察到與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似的電流失控現(xiàn)象，如圖 4 所示，從而驗(yàn)證了NPN晶體管導(dǎo)通現(xiàn)象存在的可能性。同時(shí)，該結(jié)論也可以解釋?D-S 短路失效中另外一種延遲失效現(xiàn)象。在此類失效模式下，器件在關(guān)斷后的延遲階段，電流并未降低到零，而是存在幾十A 的泄漏電流。隨后，短路積累的熱?量與寄生?NPN 晶體管導(dǎo)通產(chǎn)生的電流形成正反饋，導(dǎo)致器件無法正常關(guān)斷，進(jìn)而引發(fā)熱失控。 ?

圖4 寄生 NPN 晶體管導(dǎo)通及空穴電流的產(chǎn)生

MOSFET 作為一種典型的場控型器件，在開通關(guān)斷瞬間，由于柵氧層等效電容的存在，器件的柵極會(huì)產(chǎn)生較大的充放電電流，而在開通關(guān)斷過程以外，柵極只會(huì)有一個(gè)極小的漏電流存在。

SiC MOSFET 在短路過程中由于受到柵極電場以及器件結(jié)溫的共同作用，使得柵氧層表面的電子隧穿效應(yīng)以及熱電子發(fā)射效應(yīng)增強(qiáng)，最終達(dá)到柵氧層的臨界擊穿值，致使柵氧層發(fā)生擊穿。

4.小結(jié)

SiC MOSFET 短路失效機(jī)理以及器件可靠性問題的研究，隨著應(yīng)用的不斷深入會(huì)變得越來越迫切。對(duì)于多種失效機(jī)理存在的準(zhǔn)確性與普遍性，仍需做進(jìn)一步論證，還需進(jìn)一步論證失效機(jī)制背后的深層次原因。

依據(jù)器件失效與退化機(jī)理的分析，會(huì)進(jìn)一步指導(dǎo)器件工藝的優(yōu)化、短路保護(hù)的設(shè)計(jì)以及可靠性的多維分析，這對(duì)器件的壽命而言是十分重要的，也是我們時(shí)刻要關(guān)注的焦點(diǎn)和突破點(diǎn)。

審核編輯：黃飛

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