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

207-20202基于SiC的器件為何需要進(jìn)行一些不同于硅器件的額外可靠性試驗(yàn)？3工業(yè)級(jí)SiCMOSFET的柵極氧化層可靠性–失效率和壽命3.2SiCMOSFET柵極氧化層可靠性篩查的基本方面3.3用于外部柵極氧化層可靠性評(píng)價(jià)的應(yīng)力試驗(yàn)3.3.1馬拉松應(yīng)力試驗(yàn)3.3.2柵極電壓步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)4工業(yè)級(jí)SiCMOSFET的柵極氧化層可靠性–偏壓溫度不穩(wěn)定性（BTI）5碳化硅的抗宇宙射線能力7SiC體二極管雙極退化7.2在應(yīng)用中的影響7.3CoolSiC?MOSFE8產(chǎn)品級(jí)別的質(zhì)量認(rèn)證8.1根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件進(jìn)行超越當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試8.2AC-HTC試驗(yàn)方法8.3秒級(jí)功率循環(huán)試驗(yàn)8.4長(zhǎng)期應(yīng)用試驗(yàn)9汽車級(jí)認(rèn)證：超越標(biāo)準(zhǔn)的方法359.1汽車級(jí)SiC客戶需要更高的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用可靠性9.2汽車零部件對(duì)濕度的耐受力不打折扣10SiC器件可靠性和質(zhì)量認(rèn)證的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)307-2020英飛凌基于CoolSiC?溝槽柵的碳化硅功率MOSFET，憑借值系數(shù)（FOM）值上取得了巨大改進(jìn)。這能給許多應(yīng)用帶來(lái)更高的效率和功率密度，以及更低的本。該技術(shù)也可為創(chuàng)造更多新應(yīng)用和新拓?fù)鋷欢?，與所有新技術(shù)一樣，碳化硅功率MOSFET有如此才能達(dá)到功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命和質(zhì)量要求。盡管與硅技術(shù)有相似之處——例如，垂直型構(gòu)，含有SiO2等天然氧化物，及大多數(shù)工藝步驟等，但這些新功率器件要的區(qū)別。由于存在這些實(shí)質(zhì)性的差異，所以本文著重講述英飛凌在產(chǎn)品發(fā)布過(guò)程中用于評(píng)價(jià)CoolSiC?技術(shù)和產(chǎn)驟。本文還涉及到主要的失效機(jī)制，以及用于確保在各種應(yīng)用中安全可靠運(yùn)行的通過(guò)這種方式，我們避免了客戶可能遇到的許多風(fēng)險(xiǎn)，并為可靠地使用英飛凌Co安全的路徑。本文對(duì)于有興趣更好地了解碳化硅技術(shù)的可靠性的工程師也有指407-2020SiC能作為功率器件原材料的原因之一是，它能借用結(jié)構(gòu)）。因此，用于驗(yàn)證硅器件長(zhǎng)期穩(wěn)定性的許多方法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)。有必要進(jìn)-材料本身及其具有的特定缺陷結(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-材料本身及外部界面——如器件邊緣（包括新邊緣端設(shè)計(jì)）——最多增強(qiáng)10倍左右的運(yùn)行電場(chǎng)，以-高壓運(yùn)行（VDS>1000V）與快速開(kāi)關(guān)（>50V/ns）相結(jié)合的新運(yùn)行模式所列項(xiàng)目可能對(duì)幾乎所有既有的質(zhì)量認(rèn)證試果也會(huì)不同。與基于硅的功率器件不同的是，SiC的氧化層可靠性試性。此外，按照許多現(xiàn)有的、用于規(guī)范加速試驗(yàn)的合格標(biāo)準(zhǔn)，必須利用模型推斷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使其邊開(kāi)發(fā)新試驗(yàn)用于測(cè)試基于硅的功率半導(dǎo)體器件所沒(méi)有的不同運(yùn)行模式，一邊改進(jìn)其特有的要求。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。這樣為了能夠評(píng)估SiC器件的臨界運(yùn)行條件，并了解507-2020靠性已逐步取得改進(jìn)。這為它們成功地進(jìn)入大眾市場(chǎng)打開(kāi)在柵極氧化層可靠性領(lǐng)域，可以重復(fù)使用Si技術(shù)的許多專業(yè)知識(shí)。例的物理?yè)舸﹫?chǎng)強(qiáng)與Si器件上的SiO2相似（即使不相同）[1]。這意味著，在“外在”的缺陷導(dǎo)致的。外在的缺陷是指柵極氧化層發(fā)生細(xì)微的變形，致使局部氧化層變薄，如圖1所示。ddsiio2ddsiio2d圖1.SiO2的外在缺陷示意圖。外在缺陷可以是由氧化層變形（因?yàn)镋PI理氧化層變薄，也可以是由介電場(chǎng)強(qiáng)降低（因?yàn)楹薪饘匐s質(zhì)、顆粒或孔有些變形可能源自于EPI或襯底缺陷[2]、金屬雜質(zhì)、顆粒，或在器件制造過(guò)結(jié)束流片時(shí)，因?yàn)榫哂懈髷?shù)量的雜質(zhì)缺陷，在SiC上制取的柵極氧化層通常擁ln(-ln(1-F))內(nèi)在失效支線芯片壽命臨界非臨界SiCMOSFET外在失效支線SiMOSFET/ln(t)圖2.氧化層厚度和面積相同的SiC在缺陷密度高出3-4個(gè)數(shù)量級(jí)。芯片壽命是開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的篩查技術(shù)——例如通過(guò)電氣終端測(cè)試，以識(shí)別并剔除可能有缺陷的器件。在終測(cè)中篩的器件，通常需要對(duì)每個(gè)器件施加預(yù)定幅值和時(shí)間的高柵極電壓應(yīng)力脈沖[3][4]。該應(yīng)力脈沖可用于出具有關(guān)鍵外部缺陷的器件，留下沒(méi)有外部缺陷的、或只存在非關(guān)鍵外部缺陷的器件。在篩查中剩余器件具有明顯更高的柵極氧化層可靠性[要想實(shí)現(xiàn)快速高效的柵極電壓篩查，必須具備的一個(gè)條件是，柵極氧化層應(yīng)比達(dá)到固有的壽命需的氧化層厚很多。柵極氧化層越厚，越能使用比器件典型應(yīng)用電壓高很多的篩查電壓，同時(shí)保證能通過(guò)篩查試驗(yàn)的無(wú)缺陷器件。篩查電壓與應(yīng)用電壓之比越大，電氣篩查效率越高[6]。通過(guò)在終測(cè)中有缺陷的器件，客戶面臨的潛在可靠性問(wèn)題就能被器件制造商遭受的微小良率損失所取代。通過(guò)我柵極氧化層更厚的缺點(diǎn)是，MOS溝道電阻略高。MOS溝道電阻與電阻中占據(jù)很大的比例，尤其是對(duì)于電壓等級(jí)較低的、漂移區(qū)電阻相對(duì)較小的器件而言。畢竟，的。雖然難以避免這種在可靠性與性能之間進(jìn)行折中的設(shè)計(jì)，但或許可以利用導(dǎo)通電阻和柵極氧性與柵極氧化層厚度的相關(guān)性不同的這一事雖然柵極氧化層的可靠性隨氧化層厚度的增加而呈指數(shù)級(jí)提高，但導(dǎo)通電阻僅呈線性增加更為突出的高溫條件下，性能損失相對(duì)而言反倒更小。總而言之，使用較厚的柵極氧化層，只需點(diǎn)兒性能，就能換取可靠性的大幅提高。英飛凌從一溝槽式器件與氧化層更厚的平面式器件相比，在MOS607-2020707-2020經(jīng)典的老化試驗(yàn)可以替代在高篩查電壓和室溫下進(jìn)行的柵極電壓篩查，但它并不是很有吸引程中，器件通常需要承受更長(zhǎng)時(shí)間的較低柵極電壓和高溫工況。這種方法有幾個(gè)缺點(diǎn)：老化過(guò)程錢，并可能導(dǎo)致閾值電壓和導(dǎo)通電阻因?yàn)闁艠O長(zhǎng)時(shí)間地承受高偏壓和高溫應(yīng)力而發(fā)生嚴(yán)重漂移，為能可靠地預(yù)測(cè)器件在正常運(yùn)行工況下的失效概率，必須開(kāi)展應(yīng)力試驗(yàn)來(lái)探究導(dǎo)致機(jī)理[9]。旨在探究氧化層磨損機(jī)理的應(yīng) )試驗(yàn)，并不適合用于研究在芯片典型壽命內(nèi)和器件克服這個(gè)問(wèn)題，英飛凌開(kāi)發(fā)出兩種不同的應(yīng)力試驗(yàn)方法來(lái)驗(yàn)證所有器件的篩查結(jié)果乃至柵極研究外在失效的常用方法之一是，給器件施加盡可能接近現(xiàn)實(shí)世界應(yīng)用條件的應(yīng)力，同時(shí)測(cè)試品。之所以要求測(cè)試大量樣品，是因?yàn)樵诮?jīng)過(guò)電氣篩查之后，外在失開(kāi)發(fā)出一種新的試驗(yàn)方法，它就是我們所稱的“馬拉松應(yīng)力試驗(yàn)”[2]。該試驗(yàn)是給數(shù)以千計(jì)的器件同時(shí)施加位于接近運(yùn)行條件和類似于典型老化條件的參數(shù)區(qū)間內(nèi)的應(yīng)力。但與老化試驗(yàn)不同的是，我們施），們開(kāi)發(fā)出一種專門的試驗(yàn)系統(tǒng)，它能讓我們將許多器件放在一個(gè)封裝里，將許多封裝放在一個(gè)應(yīng)力板上，再將多個(gè)應(yīng)力板同時(shí)放進(jìn)一個(gè)烘箱里。然后再同時(shí)運(yùn)行多個(gè)在案例研究中，我們利用三組通過(guò)電氣篩查的、擁有不同雜質(zhì)缺陷密度的器件樣品，開(kāi)展和運(yùn)行立的馬拉松試驗(yàn)。這三組樣品與器件在開(kāi)發(fā)過(guò)程中取得的進(jìn)展大致對(duì)應(yīng)，即，第一組樣品對(duì)應(yīng)于氧成過(guò)程的初始階段，而第三組樣品代表產(chǎn)品放行前的技術(shù)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖潜O(jiān)測(cè)和量化在清洗、流VGS=+30V時(shí)的失效時(shí)間換算），-ln(1-F)第一組第三組第一組第三組第一組第二組第二組第三組圖3.在利用擁有不同外在缺陷密度的、三組不同的SiC溝 結(jié)果，換算成VGS=18V的柵極使用電在失效之后，留下的器件失效概率符合本征失效的韋伯斜率1。[2][6方法。但是，該試驗(yàn)需要測(cè)試大量的樣品，并且需要采用非常復(fù)雜的方式進(jìn)行校驗(yàn)。選擇柵極應(yīng)時(shí)，必須使其遠(yuǎn)低于被測(cè)器件的本征擊穿極限，同時(shí)還要足夠苛刻以能在外在失效。要想確定合適的應(yīng)力條件，必須開(kāi)展廣泛的初步調(diào)查，和/或?qū)Ρ粶y(cè)器件具備充分的了解。因?yàn)檫@個(gè)原因，也因?yàn)殚_(kāi)展并行試驗(yàn)需要專門的試驗(yàn)系統(tǒng)，所以馬拉松應(yīng)力試驗(yàn)主要是被器件制造商性，開(kāi)展壽命終期應(yīng)力試驗(yàn)（如“柵極電壓步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)”）更加方便[6][1該試驗(yàn)是通過(guò)逐步增大柵極應(yīng)力偏壓，在最高允許結(jié)溫（Tj,max）下和設(shè)定的應(yīng)力持續(xù)時(shí)間（tstr）——如分別檢測(cè)器件的柵-源極漏電流電平。統(tǒng)計(jì)失效器件數(shù)目，并從分布圖中剔除失效器件。在第一個(gè)應(yīng)力下，器件被施加推薦的柵極使用電壓（VGS,rec）——比如+15V。用同樣的方法在最高允許柵極電壓（VGS,max）下進(jìn)行第二個(gè)應(yīng)力級(jí)差的試驗(yàn)。從這一步開(kāi)始，在每個(gè)應(yīng)力級(jí)差之后將柵極電壓增大+2V（舉例），不斷進(jìn)行試驗(yàn)，直至所有器件都已失效（VGS,EOL）。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，通過(guò)韋伯統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析失效時(shí)807-2020的、清晰的本征失效支線，而其它器件（主要是M1）在相對(duì)較小的電場(chǎng)強(qiáng)度下VG,uVGS,EOLT=Tj,maxVGS,max+4VVGS,max+2VVGS,maxVGS,rectstr時(shí)間圖4.柵極電壓步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)。在每個(gè)應(yīng)力試驗(yàn)序列之前和之后，通過(guò)檢測(cè)柵-源極漏電流來(lái)檢查每個(gè)芯圖5.利用由四個(gè)不同器件廠家生產(chǎn)的100個(gè)商用的Si的失效概率的韋伯分布圖。其中，空心符號(hào)代表因內(nèi)在原因而被擊穿的器件，實(shí)心原因而被擊穿的器件。虛線代表外在失效曲線，直線907-20201007-2020靠性的基本方面，并概述了通過(guò)電氣柵極電壓篩查降低現(xiàn)場(chǎng)失效概率的概念。MOSFET在典型運(yùn)行條件下的最大現(xiàn)場(chǎng)失效概率，我們提出了所謂行電壓的電壓應(yīng)力下對(duì)大量的器件進(jìn)行測(cè)試。該試驗(yàn)的結(jié)果表明，通過(guò)使用優(yōu)化的器件處理和為了比較有限數(shù)量的、柵極氧化層性能普遍未知的器件的柵極氧化層可靠性——比器件的柵極氧化層可靠性，我們又介紹了一種更為通用的壽命終期應(yīng)力試驗(yàn)。這第二個(gè)試驗(yàn)不能像4工業(yè)級(jí)SiCMOSFET的柵極氧化層在正常使用器件時(shí)，由于半導(dǎo)體-氧化層界面處有漂移。閾值電壓的漂移可能對(duì)器件的長(zhǎng)期運(yùn)行產(chǎn)向更大的電壓值偏移，因此會(huì)導(dǎo)致器件的導(dǎo)通電阻變大。這又導(dǎo)致?lián)p耗增加，以及散熱需求增大，能縮短器件的使用壽命。因此，了解閾值電壓的行為并考慮它對(duì)設(shè)計(jì)余量的影響非常這種現(xiàn)象在Si技術(shù)中已非常常見(jiàn)，被稱之為“偏壓溫度不穩(wěn)定性的事實(shí)，即，它不僅由硅（Si）而且由碳（C）原子組成，SiC/SiO2界面的特性相比Si/S同。在SiC/SiO2界面存在位于更大能量范圍內(nèi)的其它點(diǎn)缺陷類型，它們必器件特性長(zhǎng)期穩(wěn)定，必須密切關(guān)注BTI這種漂移現(xiàn)象設(shè)法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)異的器件可靠性。因此，我們開(kāi)展了深入的研究，以期能夠深入地了解效應(yīng)在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的影響，并制定出能夠盡可于應(yīng)力條件（偏壓、時(shí)間、溫度）。施加正柵極偏壓應(yīng)力（PBTI）時(shí)，通?？梢杂^察到閾值電），SiC/SiO2或Si/SiO2界面處或附近的載流子捕獲引起的，可一道為科學(xué)進(jìn)步作出了重大貢獻(xiàn)[13][14][15]。已經(jīng)掌握的退化物理學(xué)和電氣測(cè)量技術(shù)知識(shí)，如今已多相似之處[18]。然而，它們?cè)谟行┓矫嫒匀淮嬖诓煌?，在測(cè)量和評(píng)估特定應(yīng)用中的參數(shù)變化時(shí)必到這些不同。慢）的分量[19][20]。準(zhǔn)永久分量決定器件的長(zhǎng)期漂移量，而快速分量能在短時(shí)間內(nèi)1107-20201207-2020為了獲得可比較的漂移值，已制定測(cè)定BTI應(yīng)力應(yīng)力讀數(shù)讀數(shù)應(yīng)力階段之后的時(shí)間時(shí)間信號(hào)與時(shí)間的關(guān)系。右圖顯示的是閾值電壓漂移的恢復(fù)與時(shí)間的關(guān)系，旨在表明讀閾值電壓漂移的影響。即使讀數(shù)時(shí)間有很小的差異，提取的閾但是，獲得的閾值電壓漂移在很大程度上取決于讀數(shù)時(shí)間——即應(yīng)力階段與讀數(shù)階段之間的時(shí)間間及器件的狀況[19][23]。從圖6中的右圖可以看出，閾是，即使讀數(shù)時(shí)間有很小的差異——比如1msvs.100ms，提取的閾值電壓漂移也有很大不同。因此，這種簡(jiǎn)單的方法存在的缺點(diǎn)是重現(xiàn)性差，且難以區(qū)分閾值電壓漂移中的完全可恢復(fù)的快速分量（滯后效應(yīng)）理過(guò)的PBTI為例，讀數(shù)階段包含累積脈沖、在有序列都完成之后，即在二次讀數(shù)時(shí)，留下的主要是準(zhǔn)永久的BTI這意味著，預(yù)處理使得測(cè)量結(jié)果更容易被重現(xiàn)，更不易受到讀數(shù)延遲和器件狀況的影響，并允許正1307-2020時(shí)間圖7.預(yù)處理過(guò)的PBTI的測(cè)量序列。讀數(shù)階段包含累積脈沖、一次讀數(shù)、累積脈同一個(gè)讀數(shù)階段中的一次讀數(shù)與二次讀數(shù)之差代表閾值電壓滯后生了新的界面態(tài)。預(yù)處理脈沖模擬的是柵極在應(yīng)用中的開(kāi)關(guān)過(guò)程，可將陷阱態(tài) 針對(duì)SiC，我們給出了幾種不同的工藝處理所帶來(lái)的不同結(jié)果，以證明特征之一。圖8.在200°C和-25V的偏壓應(yīng)力下，NBTI隨時(shí)正偏壓溫度不穩(wěn)定性（PBTI）圖9.在200°C和+25V的偏壓應(yīng)力下，PBTI隨時(shí)間的變化1407-20201507-2020偏壓應(yīng)力（偏壓應(yīng)力（V）剩余差異是絕對(duì)閾值電壓漂移的補(bǔ)償。通過(guò)優(yōu)化器件處理，我們?cè)俅螌?shí)現(xiàn)了漂移量降低一標(biāo)，從而使得漂移量在本試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)窗口中落在了100位置位置氧化物陷阱能級(jí)[20]。正如我們?cè)赱18]中所證明的，SiC導(dǎo)帶度更高使得電子更容易被捕獲到該型[17][25]。然而，利用實(shí)證冪律（參見(jiàn)[26]）或捕獲/釋放時(shí)間圖（CET圖，參見(jiàn)可能進(jìn)行壽命終期漂移預(yù)測(cè)。我們的研究表明，為Si技術(shù)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證的預(yù)測(cè)模型（），一樣進(jìn)行預(yù)測(cè)。總結(jié)并利用合適的測(cè)量方法仔細(xì)地評(píng)估DCBTI。然而，因?yàn)槟苁蛊骷阅芨茫≧ONxA更?。┑墓に嚄l件，與時(shí)間、溫度和偏壓的關(guān)系與Si技術(shù)類似，所以可以斷定它們對(duì)應(yīng)的潛在4.2SiCMOSFET在實(shí)多年來(lái)，英飛凌一直在進(jìn)行超越標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量認(rèn)證方法的應(yīng)用相關(guān)試驗(yàn)，以期為最終應(yīng)用確極限[16][19]。閾值電壓和導(dǎo)通電阻在實(shí)際應(yīng)用運(yùn)行條件下的漂移，是我們深入研究的一個(gè)“SiC特有”的重應(yīng)力條件下，參數(shù)漂移可能超過(guò)施加標(biāo)準(zhǔn)直流柵極應(yīng)力后的典型值。這與DCBTI始終被視為“最壞情況”的Si技術(shù)是不同的[28]。為了增進(jìn)對(duì)這一新的漂移現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，也為了指導(dǎo)），了它在典型的應(yīng)用環(huán)境中可能造成的后果[29]。2019年，我們根據(jù)最新的英飛凌在各種運(yùn)行條件下開(kāi)展了廣泛的試驗(yàn)，以期建立一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)的預(yù)測(cè)模型，用于描述閾值電壓（VTH 偏壓上限（VGH）、開(kāi)關(guān)頻率（f）和運(yùn)行溫度（T）等相關(guān)。1607-2020分辨率高，還要求測(cè)量延時(shí)達(dá)到微秒級(jí)。為此，英飛凌已開(kāi)發(fā)出定制的高端應(yīng)力柵極應(yīng)力試驗(yàn)期間進(jìn)行快速的原位參數(shù)監(jiān)測(cè)[17道過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓（VGH-VTH），從而使得器件的溝道電阻（Rch）變大。Rch=(2)在公式（2）中，L代表溝道長(zhǎng)度，W代表溝道寬度，μn代表自由電子遷移率，Cox代表柵極氧化層電容，VGH代表柵極電壓上限，而VTH代表器件的閾值電壓。在高功率器件中，溝道電阻只是器件的總導(dǎo)通電阻的一個(gè)分量。RON=Rch+RJFET+Repi+Rsub.在公式（3）中，Rch代表溝道電阻，RJFET代表結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）電阻，Repi代表漂移帶的外延大，最終使得器件的總導(dǎo)通電阻(ΔRON）略微變大?？倢?dǎo)通電現(xiàn)潛在臨界漂移（>15%，在數(shù)據(jù)表的最大額導(dǎo)圖表來(lái)說(shuō)明推薦的柵極驅(qū)動(dòng)電壓和頻率。這些指導(dǎo)圖表之后創(chuàng)建的退化模型。驗(yàn)?zāi)Ｐ拖禂?shù)。所示的擬合曲線對(duì)應(yīng)用于計(jì)算ΔVTH_AC~(ts×f)n(4)應(yīng)力施加時(shí)間的關(guān)系圖。在圖12中，我們比較了1707-20201807-2020移是相似（不是完全一樣）的，它與總應(yīng)力施加時(shí)間無(wú)關(guān)。正是因?yàn)檫@個(gè)原因，相比在相對(duì)較低），的導(dǎo)通損耗與開(kāi)關(guān)損耗之比。在某個(gè)特定的應(yīng)用中，如果開(kāi)關(guān)損耗在總損耗中占據(jù)絕對(duì)比例關(guān)頻率更大，導(dǎo)通損耗的增加對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影與柵極偏壓下限（VGL）的關(guān)系狀態(tài)施加負(fù)柵極偏壓的模式下運(yùn)行，ACBTI只會(huì)導(dǎo)致VTH漂則獲得的VTH漂移顯示出典型的D壓可通過(guò)以下方式影響VTH漂移（參見(jiàn)圖13）：當(dāng)開(kāi)關(guān)次數(shù)較少時(shí)，VTH漂移是，當(dāng)開(kāi)關(guān)次數(shù)較多時(shí)，VTH漂移通常因?yàn)樨?fù)關(guān)態(tài)柵極電壓更高導(dǎo)致漂移斜率更大（冪律指數(shù)）而變大。圖13.短時(shí)間內(nèi)施加大量脈沖（f=500kHz的柵極電壓下限高于-2.5V時(shí)（比如-），與柵極偏壓上限（VGH）及溫度（T）的關(guān)系的VGH等級(jí)和高溫下，VTH漂移值更大。但是，這并不一定意味著，這種運(yùn)行條件對(duì)于應(yīng)用而言更為關(guān)當(dāng)VGH等級(jí)較高時(shí)，可以觀察到BTI更大。但是，由于柵極驅(qū)那么敏感。因此，盡管VTH漂移變大，但RON在VGH值較大時(shí)的相對(duì)變化可能反倒變小顯。因此，盡管VTH漂移變大，但RON在溫度更高時(shí)的相對(duì)變化可1907-20202007-2020極電壓下限和不同的柵極電壓上限時(shí)的數(shù)據(jù)。施加較大的柵極電壓上限導(dǎo)致實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)2107-2020圖15.在加速頻率（f=500kHz）和柵極電型的柵極電壓下限和不同應(yīng)力溫度下的數(shù)據(jù)。溫度較高時(shí)的應(yīng)力導(dǎo)致實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生平模型（虛線）符合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)，但在本試驗(yàn)中稍漂移飽和與負(fù)載電流的關(guān)系型，這表明負(fù)載電流本身并不會(huì)改變觀測(cè)到的漂移行為。但也發(fā)現(xiàn)，柵極信號(hào)過(guò)沖和下沖——用中很常見(jiàn)——可能影響ACBTI。這一評(píng)估和抑制應(yīng)用中的過(guò)沖和下沖給出具體的2207-2020半導(dǎo)體器件在其整個(gè)生命周期中都會(huì)受到核粒子輻射。這種輻射源自于高能宇宙粒子撞擊大“硬”分量2307-2020對(duì)于地球大氣層以上的空間應(yīng)用，宇宙輻射主要由質(zhì)子、離子和伽瑪射線組成。對(duì)于最高達(dá)到度的地面應(yīng)用，大氣層能起到很大的屏蔽作用，輻射環(huán)境取決于地平面的通量時(shí)[32]的中子。但如圖17所示，中子通量隨海拔高度呈指數(shù)增長(zhǎng)[14]，因此在考時(shí)必須考慮到海拔高度。盡管地面上的中子通量密度相當(dāng)?shù)?，但許多功率半導(dǎo)體導(dǎo)致功率半導(dǎo)體器件失效的機(jī)制，并根據(jù)器件和應(yīng)用參數(shù)推導(dǎo)出一個(gè)加速模型，另請(qǐng)參見(jiàn)[n二極管結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)分布。入射宇宙粒子可能觸發(fā)與晶格原子組成的帶電等離子體。在正常的反向偏壓運(yùn)行條件下，電場(chǎng)呈三角形或梯形（藍(lán)色曲線）。宇宙粒子誘發(fā)的帶電等離子體時(shí)，電場(chǎng)在等離子體中被局部屏蔽。在等離子體區(qū)的邊緣甚電場(chǎng)，這可能導(dǎo)致產(chǎn)生通過(guò)活躍區(qū)進(jìn)一步傳播開(kāi)去的雪崩（紅色曲線），也就是所謂的“圖18.在[30]之后垂直功率器件中的宇宙輻射等離子體通道和隨后的流光可使器件發(fā)生短路，然后再被耗散能摧毀。這就是所謂的“單粒子燒毀” 的器件失效率也相似。在過(guò)去的幾十年中進(jìn)行了許多加速試驗(yàn)，這些試驗(yàn)表明，當(dāng)施加的電實(shí)際雪崩擊穿電壓時(shí)，由宇宙射線誘發(fā)的失效2407-2020圖中沒(méi)有顯示源自于有限數(shù)量的被測(cè)器件的每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的這些試驗(yàn)是用質(zhì)子加速器和散裂中子源進(jìn)行的，它們可通過(guò)高粒子通量密度實(shí)現(xiàn)性。除去這一分散性，還可通過(guò)這些結(jié)果推斷出一個(gè)平均指數(shù)電壓加速模型。為驗(yàn)證該加速模型基于人工離子源的加速試驗(yàn)的同時(shí)，還在高海拔和大氣中子的自然通量下進(jìn)行儲(chǔ)存試驗(yàn)[憑借宇宙射線誘發(fā)的失效率與雪崩擊穿電壓的關(guān)系，就可以優(yōu)化功率器件的穩(wěn)健性。一般而言，率器件可以設(shè)計(jì)更高的雪崩擊穿電壓，從而可以通過(guò)更大的厚度和更低的漂移層或基底層摻雜的抗宇宙輻射能力。這又意味著正向?qū)〒p耗將在一定程度上降低，即，在抗輻射能力與通態(tài)為計(jì)算宇宙輻射導(dǎo)致的器件或模塊失效率，必須考慮到特定應(yīng)用的條件，即施加的的運(yùn)行小時(shí)數(shù)之間的關(guān)系。因此，不可能為某一技術(shù)或應(yīng)用提供一個(gè)宇宙輻射失效率的數(shù)字。凌支持客戶通過(guò)其遍布全球的、經(jīng)驗(yàn)豐富的、且經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的應(yīng)用工程師網(wǎng)絡(luò)，研究如何根據(jù)英英飛凌永遠(yuǎn)支持開(kāi)發(fā)宇宙輻射實(shí)驗(yàn)的新技術(shù)和新產(chǎn)品，以便驗(yàn)證該模型，并確保在應(yīng)用和器件實(shí)現(xiàn)恰當(dāng)平衡所需的抗輻射能力。結(jié)果表明，就宇宙射線導(dǎo)致的基本失效機(jī)制及其與運(yùn)行2507-2020），），這一缺陷目前是可忽略不計(jì)的。而且必須指出的是，抗短路能力提高將對(duì)RDS（on）產(chǎn)生很大的負(fù)面影響。因此，在決定以保證短路耐受時(shí)間的形式提高抗短路能力時(shí)應(yīng)當(dāng)非常慎重。如果決定在數(shù)據(jù)表中指數(shù)值，則必須采取措施確保成品器件的性能。在英飛凌，這是通過(guò)在裝運(yùn)之前對(duì)所有測(cè)試做到的。客戶通常要求指定一個(gè)產(chǎn)品在應(yīng)用時(shí)能夠成功抵抗的短路事件數(shù)量。要回答這個(gè)問(wèn)易，因?yàn)樵诓煌倪\(yùn)行條件下，實(shí)際短路條件（雜散電感等）可能差別很大。此時(shí)，供應(yīng)商與最在典型的短路事件中，器件在被施加滿（DC總線）電壓的同時(shí)，也被施加由負(fù)載阻抗和半導(dǎo)體性定義的電流。因此，同時(shí)施加的高電壓和大電流會(huì)導(dǎo)致器件中的功率損耗和熱應(yīng)力都很大。熱破壞是個(gè)關(guān)鍵的限制因素，金屬層的實(shí)際熔化是觀察到的失效模式之一。持續(xù)時(shí)間為微秒級(jí)。對(duì)于失效，這是因?yàn)槭┘討?yīng)力脈沖之后的漏電流太大，進(jìn)而導(dǎo)致在短路脈沖之后出現(xiàn)熱失控。但這種類型另一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是，在短路條件下，芯片內(nèi)的溫度大幅度升高，顯示出與IGB是通過(guò)使用短溝道和有限的JFET效應(yīng)來(lái)減小RDS（on）。電流可以達(dá)到器件額定電流的10倍左右，），2607-2020源極源極片的散熱能力，熱量幾乎完全是在靠近芯片表面的極薄漂移區(qū)、隔離氧化層和描繪了這一情境，并與IGBT進(jìn)行了比較。在高壓硅器件中，峰值溫度的波于器件的主體中。于是便會(huì)出現(xiàn)不同的失效模式，因此，必須深入了解系統(tǒng)需求和行為，以得出潛在器件相關(guān)的措施和2707-2020雙極退化效應(yīng)。這種效應(yīng)主要是由SiC晶體上早先存電子與空穴的復(fù)合所釋放出的能量導(dǎo)致堆垛層錯(cuò)在BPD處蔓延[38]。該堆垛層錯(cuò)將蔓延后停止蔓延。圖22中的左圖所示的、被擴(kuò)大的有源區(qū)域縮小。結(jié)合潛在的物理背景因素，可以得出雙極退化是：），在雙極退化效應(yīng)。,一種飽和效應(yīng)。一旦堆垛層錯(cuò)蔓延至器件表面，雙極退化就會(huì)飽和。取決運(yùn)行條件，從初始狀態(tài)到飽和的時(shí)間可以是幾分鐘到幾小時(shí)的累積雙2807-2020如前所述，內(nèi)部擁有擴(kuò)大的疊層缺陷的區(qū)域似乎表示了有缺陷和無(wú)缺陷的SiC器件的熱圖像（EMMI）?？梢郧宄乜吹缴硎倦娏髅芏龋ㄋ{(lán)色代表密度小，紅色代表密度大），加粗從試驗(yàn)中可以證實(shí)，雙極退化只會(huì)使SiC器件的有源區(qū)域減小，進(jìn)而使得MOSFET的RDS（on）變大，體二極管的VSD變大。器件的其它基本參數(shù)（如擊穿電壓、開(kāi)關(guān)行為和氧化層可靠性因此，如果碳化硅器件有少量缺陷，并且飽和后的RDS（on）或VSD增大幅度仍然位于數(shù)據(jù)表給出的范圍以7.3CoolSiC?MOSF英飛凌已采取專門的措施來(lái)確保其交付給客戶的產(chǎn)品擁有穩(wěn)定的性能。已采取兩種措施來(lái)確保體二極管的所有CoolSiC?MOS其中包括采取優(yōu)化的芯片生產(chǎn)工藝以抑制疊層缺陷的形成，并結(jié)合有效的驗(yàn)證2907-2020對(duì)分立器件和模塊，均按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行常規(guī)檢測(cè)，其中包括H術(shù)的發(fā)布是必不可少的，結(jié)果被記錄在發(fā)布每種產(chǎn)品主頁(yè)上的PQR3000h，以檢驗(yàn)英飛凌的新技術(shù)在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出必要的標(biāo)準(zhǔn)條件時(shí)所具有的可靠性。近些年，許多應(yīng)用開(kāi)始要求器件具備超越標(biāo)準(zhǔn)H3TRB條件的濕度穩(wěn)定止功率器件因?yàn)闈穸仍虬l(fā)生退化，且必須設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)看到在這些條件下的不同退化機(jī)制，如金屬腐蝕或枝晶生長(zhǎng)[39]。在標(biāo)準(zhǔn)的H3T據(jù)[40]，是在T=85°C、相對(duì)濕響。如前所述，這些試驗(yàn)條件不足以確保所有應(yīng)用在長(zhǎng)期內(nèi)保持可靠。如果分析應(yīng)用條件時(shí)發(fā)現(xiàn)存惡劣的條件，則必須進(jìn)行附加試驗(yàn)。如今是在80%的最高漏源），們不僅要能承受在這些試驗(yàn)中使用的極端條件，還要能HV-H3TRB。無(wú)論是在H3TRB還是在以器件顯然沒(méi)有顯示出在應(yīng)力下開(kāi)始退化的跡象。為了找出英此外，我們還在脈沖高壓濕度條件（PHV-H3TRB或動(dòng)態(tài)HTRB）下檢驗(yàn)了3007-2020失效模式。為保證在現(xiàn)場(chǎng)條件下能夠可靠地運(yùn)行，驗(yàn)證的應(yīng)力時(shí)間結(jié)合嚴(yán)格的通過(guò)/失效標(biāo)準(zhǔn)足以性驗(yàn)證應(yīng)力時(shí)間，在任何這些試驗(yàn)中都未發(fā)現(xiàn)系超越標(biāo)準(zhǔn)的可靠性驗(yàn)證VDS=80V（100VforAEC）,T對(duì)于采用分立器件進(jìn)行的可靠性試驗(yàn)，高運(yùn)行溫度或模壓化合物可能對(duì)器件在應(yīng)力作用下的長(zhǎng)是，動(dòng)態(tài)應(yīng)力試驗(yàn)很重要，因?yàn)樗鼈兛赡苡|發(fā)在遵循標(biāo)準(zhǔn)的靜態(tài)試驗(yàn)中觀察不到的失效機(jī)制。例如3107-2020應(yīng)力試驗(yàn)短路應(yīng)力），），Ta=85°C，rH85%，VDClink=V，IL_peak=16A，fsw=25k動(dòng)態(tài)反向偏壓（DRB）Ta=25°C，VDClink=960V，VGS=+15V/-5V，dv根據(jù)文獻(xiàn)中的報(bào)告，SiC器件甚至還有無(wú)法通過(guò)（擴(kuò)展殊材料屬性和特定應(yīng)用條件有關(guān)[41][溫度(℃)相比在Ta=85°C/rH=85%條件下進(jìn)驗(yàn)則是引發(fā)冷凝，并通過(guò)在終端接區(qū)形成冷凝水層觸發(fā)額外的、與應(yīng)用有關(guān)的失效模式。根據(jù)文獻(xiàn)告，這些失效模式對(duì)于SiC器件有非常重要的意義[41][42]。英料有關(guān)的失效模式。這一點(diǎn)可以通過(guò)進(jìn)行并成功通過(guò)AC-HTC試驗(yàn)（試驗(yàn)是與應(yīng)用專家緊密合作開(kāi)發(fā)出的，能夠模擬光伏系統(tǒng)應(yīng)用的運(yùn)行模式。系統(tǒng)的中。持續(xù)數(shù)小時(shí)的試驗(yàn)周期可以分成兩個(gè)不同的階段：a)Ta<0°C：低溫、高濕度，導(dǎo)致芯片表面出現(xiàn)冷凝水，模如果終端區(qū)的鈍化處理不夠充分，則終端將出現(xiàn)退化，導(dǎo)致在試驗(yàn)期間和實(shí)際應(yīng)用中過(guò)早失效。中的所有SiC器件因此都配備有新的疊層鈍化膜，用于在這些惡劣的條件下在計(jì)算半導(dǎo)體器件在實(shí)際應(yīng)用中的預(yù)期使用壽命時(shí)，必須考慮到內(nèi)部連接技術(shù)的老化。這需要通率循環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估，其中，器件被主動(dòng)加熱使得3207-2020RDS（on）或Rth（j-c）達(dá)到預(yù)定的變化，也就是所謂的壽命終期（EoL）標(biāo)準(zhǔn)?；诠J(rèn)的模型[43]，這些結(jié)果可與應(yīng)用條件關(guān)聯(lián)起來(lái),正如英飛凌應(yīng)用說(shuō)明中所述利用S從原則上講，SiC模塊也是經(jīng)歷這個(gè)過(guò)程。但因?yàn)镾iC擁片的老化機(jī)制中，鍵合連接退化并無(wú)很大的影響，影響最大的是焊接層退化，它會(huì)導(dǎo)致R為這個(gè)原因，SiC的秒級(jí)功率循環(huán)能力才比采用相同互的英飛凌應(yīng)用工程團(tuán)隊(duì)獲?。┛紤]了這一改變的老化機(jī)制，使得能夠按照功率循環(huán)應(yīng)用說(shuō)明中的據(jù)最高結(jié)溫Tvj和溫度變化ΔT來(lái)計(jì)算載脈沖持續(xù)時(shí)間ton的關(guān)系。在我們最近發(fā)表的文章中有講到這所有SiC技術(shù)所用的互連技術(shù)和生產(chǎn)線，都與我們?cè)诳刂七@些工藝和模塊勢(shì)的應(yīng)用：器件沿兩個(gè)方向傳送電流，芯片在一個(gè)負(fù)載周期的正和負(fù)傳導(dǎo)階段都能產(chǎn)生功率，從對(duì)于在壽命終期之前在功率循環(huán)中需要更多次循環(huán)的應(yīng)用，英飛凌也已改進(jìn)分立器件的互連技術(shù)針對(duì)分立器件的功率循環(huán)研究仍然是個(gè)處于初期的研究領(lǐng)域。因此，英飛凌近年來(lái)進(jìn)行了更深入的研究，以了解在功率循環(huán)應(yīng)力期間發(fā)生的失效機(jī)制[48][49]。一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是，與功率中，只要裸片連接是通過(guò)傳統(tǒng)的焊接法完成的，則脫線是目3307-20203407-2020MOSFET），分立器件都能用同樣的公式來(lái)描述。許多器件特性對(duì)功率循環(huán)穩(wěn)定性都有一個(gè)參數(shù)集能夠籠統(tǒng)地描述所有產(chǎn)品。根據(jù)器件特性，可能有必要使用單獨(dú)的參數(shù)集。如欲了解件的功率循環(huán)能力，請(qǐng)向您本地的英飛凌應(yīng)用工程師發(fā)出申請(qǐng)，他能幫您評(píng)估預(yù)期使用壽簡(jiǎn)化為一些基本拓?fù)洌鼈冇兄诖_定長(zhǎng)期應(yīng)用試驗(yàn)。下表列出了最主要的基本基本拓?fù)涓庞[主要關(guān)注的是硬開(kāi)關(guān)配置，因?yàn)樗鼈兺ǔＪ菍?duì)功率半導(dǎo)體要求最高的。英飛凌已經(jīng)開(kāi)發(fā)出許行。為了更好地了解長(zhǎng)期行為，可靠性試驗(yàn)的3507-2020碳化硅（SiC）以其固有的優(yōu)越物理材料特性和高擊穿場(chǎng)，是幫助達(dá)成“電氣化將主宰汽車業(yè)的未來(lái)”的以英飛凌采用不同的質(zhì)量類別來(lái)歸類我們的產(chǎn)品。根據(jù)我們的質(zhì)量手冊(cè)，區(qū)別可以描述如下：?基準(zhǔn)質(zhì)量認(rèn)證方法可保證符合標(biāo)準(zhǔn)），?AECQ-100/101標(biāo)準(zhǔn)中確定的、在應(yīng)用中的可靠性鑒定方法汽車應(yīng)用條件目前因?yàn)槠囀袌?chǎng)的瞬息萬(wàn)變而有廣泛的變化，寬禁帶半導(dǎo)體因?yàn)槊黠@有能力滿足苛的需求而越來(lái)越受歡迎。進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)的代價(jià)是高質(zhì)量保障即能夠?qū)崿F(xiàn)更長(zhǎng)的使用壽命，了解不同效機(jī)制，以及新的激發(fā)能量。總體而言，提高性能的需求正在成為一種常態(tài)，也是供應(yīng)商取得競(jìng)爭(zhēng)途徑之一。汽車市場(chǎng)的演變——尤其是電動(dòng)汽車技術(shù)的演變——對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)估有以下影響：1.因?yàn)閼?yīng)用條件而需要更長(zhǎng)的應(yīng)力施加時(shí)間。AEC-Q101是在任何情況下都必須滿足的一項(xiàng)最低標(biāo)準(zhǔn)。2.設(shè)計(jì)新應(yīng)力條件，以涵蓋實(shí)際應(yīng)用條件，以及新技術(shù)在這些條件下的表現(xiàn)。3.可靠性驗(yàn)證現(xiàn)在得從比標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量認(rèn)證試驗(yàn)更高的級(jí)別僅僅滿足汽車行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不夠了，AEC-Q101被視為必須遵守的指導(dǎo)原則之一，但應(yīng)用條件如今要求在惡劣的環(huán)境條件下以更快的開(kāi)關(guān)速度實(shí)現(xiàn)更高的可靠性。所有這些都是在比硅技術(shù)的典型擊對(duì)于電動(dòng)汽車而言，同樣的高壓器件產(chǎn)品必須同時(shí)滿足不同的工作模式，并且在每種模式下都能,預(yù)處理，新的純電動(dòng)車型具有的一項(xiàng)功能，例如，在使用汽車之前給內(nèi)部駕駛空間加熱，以定時(shí)或遠(yuǎn)將AEC-Q101中的要求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為等效的應(yīng)力時(shí)間時(shí)，發(fā)現(xiàn)在應(yīng)用條件與新興應(yīng)用的需求之間存在明顯的不匹配，凸顯出了對(duì)能超越當(dāng)前汽車標(biāo)準(zhǔn)的、能滿足更嚴(yán)苛的質(zhì)量要求的技術(shù)（運(yùn)行小時(shí)數(shù)[h]運(yùn)行小時(shí)數(shù)[h]運(yùn)行小時(shí)數(shù)[h]運(yùn)行小時(shí)數(shù)[h]圖28.典型的純電動(dòng)車應(yīng)用的應(yīng)用條件（駕駛模式和充電模式）。將AEC-Q101中的要由于產(chǎn)品的復(fù)雜度日益提高以及用例更具有挑戰(zhàn)性圖29.因?yàn)楦量痰膽?yīng)用需求，可靠性裕度相比AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)必須進(jìn)行擴(kuò)展。3607-20203707-2020應(yīng)沒(méi)有區(qū)別。因此，必須在尚未達(dá)到Si技術(shù)的成熟度的這種新技術(shù)，與滿足汽率之間，找到一個(gè)折中點(diǎn)。宇宙射線：漂移帶（外延層）的設(shè)計(jì)要能確保更強(qiáng)的抗宇宙輻射能力。調(diào)整漂移層電阻Rdrift可以增強(qiáng)柵極氧化層穩(wěn)柵極氧化層穩(wěn)定性陷低能任何汽車零部件都是經(jīng)常暴露在變化不斷的、有時(shí)是惡劣的氣候條件下，因此必須保護(hù)這些水，并避免由此導(dǎo)致的腐蝕和/或氧化。類似于太陽(yáng)能或牽引等戶外應(yīng)用的工業(yè)應(yīng)用條件，在特下，汽車應(yīng)用的質(zhì)量認(rèn)證程序和技術(shù)措施必須保證其達(dá)到超高的現(xiàn)行版本的AEC-Q101要求在最高100V的電壓下進(jìn)行高濕高溫反向偏壓試驗(yàn)（H3T），大化的需要，它的橫向電場(chǎng)強(qiáng)度名義上比Si器件要高，要想檢驗(yàn)SiC器件在不同濕度條件下的可靠性，高壓H3TRB（VDS=80%VDSS）是更合適的方法。考慮正如第8.1節(jié)中已經(jīng)講到的，影響可靠性的也有可靠性不會(huì)因器件導(dǎo)通和關(guān)斷引起的電場(chǎng)強(qiáng)度持續(xù)變化而受到負(fù)面影響。如果適當(dāng)?shù)卣{(diào)整占空比），3807-2020表3.英飛凌為進(jìn)行汽車級(jí)質(zhì)量認(rèn)證所選擇的試驗(yàn)條件質(zhì)量認(rèn)證試驗(yàn)條件（舉例）AEC-Q101（超越AEC-Q101）,80%VDSS度耐受力,f=典型開(kāi)關(guān)頻率,VDS,app沖如果不使用這些試驗(yàn)方法，就不可能開(kāi)發(fā)出前面提到的創(chuàng)新鈍化概念來(lái)保護(hù)終只有開(kāi)發(fā)出新的鈍化概念并且重復(fù)更嚴(yán)苛的濕度應(yīng)力，SiC技術(shù)才有可能被允許用于汽車應(yīng)用。程中，英飛凌可以借鑒許多工業(yè)產(chǎn)品發(fā)布過(guò)程中所積累的經(jīng)