SiC-MOSFET的可靠性

本文就SiC-MOSFET的可靠性进行说明。

栅极氧化膜
针对SiC上形成的栅极氧化膜，通过工艺开发和元器件结构优化，实现了与Si-MOSFET同等的可靠性。CCS TDDB（Constant Current Stress Time Dependent Dielectric Breakdown：恒流经时绝缘击穿）试验中，栅极氧化膜可靠性的指标–QBD（Charge to Breakdown）为15～20C/cm2，与Si-MOSFET同等。

另外，在旨在确认有关晶体缺陷的栅极氧化膜可靠性的HTGB（High Temperature Gate Bias：高温栅极偏压）试验（+22V、150℃）中，在装置中未发生故障和特性波动，顺利通过1000小时测试。

阈值稳定性（栅极正偏压）

SiC上形成的栅极氧化膜界面并非完全没有陷阱，因此当栅极被长时间施加直流的正偏压时，陷阱捕获电子而使阈值上升。

经HTGB试验证实，阈值偏移非常小，在Vgs=+22V、150℃的条件下1000小时后，仅为0.2～0.3V。大多数陷阱在施加应力初期的几十个小时内被填充，其后几乎没有变化，很稳定。

阈值稳定性（栅极负偏压）
反之，当栅极被长时间施加直流的负偏压时，空穴被捕获，阈值下降。在HTGB试验中，负偏压下的阈值变化程度大于正偏压，在Vgs为-10V以上时阈值下降超过0.5V。

第二代MOSFET中，栅极负偏压的保证电压为-6V。请注意，当负偏压大于-6V时，阈值可能进一步降低。交流（正负）偏压时，反复进行对陷阱的充放电，因此偏移的影响很小。

体二极管的通电劣化
一般认为SiC-MOSFET存在称为“体二极管的通电劣化”的故障模式。这是正向电流持续流过MOSFET的体二极管时，电子-空穴对的重新复合能量使称为“堆垛层错”的缺陷扩大，影响到电流路径，使导通电阻和体二极管的Vf上升的模式。

堆垛层错使发热量增加，在某些情况下还会引起耐压性能下降。因此，在用于发生向体二极管换流的应用（逆变器、DC/DC转换器等）时，有可能会导致问题。（※在SBD和MOSFET的第一象限工作中不会发生这类问题）

通过开发不会扩大堆垛层错的独特工艺，成功地确保了体二极管通电的可靠性。在1200V　80Ω的第二代SiC MOSFET产品中，实施了对体二极管进行1000小时的直流8A通电测试，结果如下。试验证明，所有特性如导通电阻，漏电流等都没有变化。

短路耐受能力
由于SiC-MOSFET与Si-MOSFET相比具有更小的芯片面积和更高的电流密度，因此对于导致热击穿的短路的耐受能力往往比Si-MOSFET低。TO247封装的1200 V级MOSFET中，Vdd=700V、Vgs=18V时的短路耐受时间约为8～10μs。随着Vgs降低，饱和电流减小，所以耐受时间变长。另外，Vdd较低时发热量也会减少，所以耐受时间会更长。

由于关断SiC-MOSFET所需的时间非常短，所以当Vgs的断路速度很快时，急剧的dI/dt可能会引发较大的浪涌电压。请使用逐渐降低栅极电压的软关断功能等，并在没有过电压的情况下关断。

dV/dt破坏
Si-MOSFET存在一种由于dV/dt过高而通过电容Cds流过瞬态电流，寄生双极晶体管工作导致损坏的模式。的SiC-MOSFET由于寄生双极晶体管的电流放大倍数hFE较低，因而不会发生电流放大，截至目前的调查中，即使在50kV/µs左右的工作条件下，也未发生这种损坏模式。关于体二极管快速恢复时的dV/dt，一般认为由于SiC-MOSFET的快速恢复电流非常小，快速恢复时的dI/dt很小，所以dV/dt也不会增加，不易发生这种损坏模式。

宇宙射线引起的中子耐受能力
在高原应用中，受宇宙射线影响，少数进入地面的中子或重离子有时会引发半导体器件的单粒子效应，这已成为需要解决的问题。在对SiC-MOSFET（n=15）进行的白色中子照射试验（能量：1～400MeV，由大阪大学核物理研究中心RCNP实施）中，在Vds=1200V（额定耐压的100%）条件下实施1.45×109 neutrons/cm2/s的中子照射后，结果并未发生由于单粒子效应引发的故障。海拔0m处的故障率为0.92FIT，海拔高度4000m处也仅为23.3FIT，故障率比同等级Si-IGBT和Si-MOSFET低3～4个数量级。耐压实力值更高，并具有足够的余量，从而可以在高原应用或多个使用的应用中，降低因宇宙射线引起的中子诱发故障的风险。

静电击穿耐受能力
SiC-MOSFET的优点是芯片尺寸可以比Si-MOSFET小，但另一方面，静电击穿（ESD）耐受能力却较低。因此，处理时需要采取充分的防静电措施。

静电对策举例
・利用离子发生器除去人体、元器件、作业环境中的静电（推荐）
・利用腕带、接地除去人体、作业环境中的静电（元器件带电时无效，所以仅此对策还不够）

各种可靠性试验结果
以日本广泛采用的JEITA（原“EIAJ”）ED-4701作为用来评估半导体的测试方法，其可靠性试验结果如下。从结果可以看出，的SiC-MOSFET具有足够的可靠性。