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在電源轉換器的尺寸、重量和/或能效等方面具有優(yōu)勢。當然，要進行大批量生產，逆變器除了靜態(tài)和動態(tài)性能之外，還必須具備適當的可靠性，以及足夠的閾值電壓和以應用為導向的短路耐受能力等?？膳cIGBT兼容的V_GS=15V導通驅動電壓，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設計為輔的CoolSiC?，是為了抑制導通及關斷狀態(tài)下柵極氧化層內的電場。在1200V電壓等級的導通電阻頗具吸引力，哪怕以穩(wěn)定的可復制的方式進行大批量生產，也可以實現這樣的導通電阻。已在VGS=15V驅動電壓等級下實現的低導通電阻和超過4V的柵極-源極閾值電壓，在SiC晶體管領域樹立了標桿。必須滿足這些限制條件，才可能將硅功率半導體領域成熟的質量保證措施轉而用于SiC器件，以確保實現工業(yè)乃至汽車應用領域所要求的故障率(FIT)。

　　對于快速開關IGBT和SiC晶體管，封裝設計同樣重要。

　　當前市場上的功率模塊平臺中，有些封裝非常有利于實現快速開關SiC器件。雜散電感必須盡可能低，此外還需要高度對稱的設計。

　　舉例來講，Easy-Module平臺注定將用于SiC器件。與眾所周知的基于襯底的標準封裝不同，Easy-Module平臺可以實現高度對稱的低電感設計。為此，利用通用靈活的Easy1B功率模塊， 實現了首批針對光伏系統(tǒng)、非車載充電器和不間斷電源等應用而優(yōu)化的SiC半橋和升壓器解決方案。

　　Easy模塊的靈活針柵可簡化電路板布局，實現低于10 nH的雜散電感。這是一個巨大的進步，較之諸如EconoDUAL?等現有解決方案或標準SIXPACK設計，降低70%~80%。它代表著功率模塊設計領域的重大創(chuàng)新。

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

器件設計理念

　　SiC MOSFET的開關損耗通常很低，并且?guī)缀醪皇軠囟扔绊憽８呒壴O計工作者將單位面積導通電阻作為特定技術的主要基準參數。對于基于4H-SiC的平面MOSFET，必須克服導帶附近的超高界面陷阱密度。這會導致很低通道遷移率，從而使通道電阻占總導通電阻的很大比重。形形色色的基于SiC MOSFET的器件，都存在很高缺陷密度。經驗表明，克服這一困境的方法是提高導通狀態(tài)下施加在氧化層上的電場強度，達到高于硅基MOSFET器件的典型值。導通狀態(tài)下，氧化層內的高電場有可能加劇老化。這可能危及長期可靠性，特別是就SiC襯底的高缺陷密度而言。

　　根據這些考量，顯然就氧化層電場應力而言，采用SiC技術的平面MOSFET器件事實上有兩個敏感區(qū)域，如圖2左側所示。

　　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區(qū)域內的反向模式下的應力，其次是柵極與源極之間的重疊區(qū)域內的導通狀態(tài)下的應力。

　　導通狀態(tài)下的高電場更為危險，因為器件設計未采取任何措施來降低導通狀態(tài)下的電場應力。因此，總體目標是器件既要利用SiC技術實現很低的RDSon，又要采用仍能實現經深入研究的安全的氧化層場強狀態(tài)的運行模式。在導通狀態(tài)下，通過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，可以實現這一點。

柵極氧化層可靠性

　　關于SiC MOS器件的柵極氧化層可靠性，挑戰(zhàn)是確保在設計使用壽命期限內和特定運行條件下，實現足夠低的故障率，包括非本征缺陷。典型行業(yè)要求為20年運行期內低于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，其余工藝過程也有一些影響。對商用MOSFET產品進行的試驗顯示，對于工業(yè)系統(tǒng)的應用，這個問題依然十分嚴峻。

　　因此，采用大量器件進行了長期試驗，以研究英飛凌CoolSiC? MOSFET的柵極氧化層非本征故障率。試驗采用兩組每組各1000個單管器件進行，在150℃和恒定柵偏應力下進行測試，連續(xù)執(zhí)行三個100天。圖3總結了試驗結果。每隔100天，柵源電壓增加+5 V。

　　這些統(tǒng)計數據非常符合線性E-Model。確定了與圖3內的實線最吻合的加速系數。

　　根據這一結果，對器件以推薦電壓等級運行20年進行推算，模型預測出故障率為0.2 ppm。因此，這個證據表明，其柵極氧化層的可靠性與IGBT類似，完全滿足典型工業(yè)要求。

　　圖3長期試驗：圖3中所示為故障次數隨應力天數的變化。試驗采用兩組每組各1000個單管器件進行，試驗條件為150℃和恒定柵極電壓V_GS，如圖3所示。每隔100天，V_GS增加5V。每個點表示一次故障。實線代表線性E模型的預測。

動態(tài)性能

　　作為單極器件，SiC MOSFET的動態(tài)性能主要取決于其電容。該器件經專門設計，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在半橋模式下運行時，形成寄生導通效應和復雜的柵極驅動電路。

　　圖4所示為4管腳TO-247封裝單元器件產生的典型開關損耗，作為漏極電流的函數。關斷能量E_off幾乎不受負載電流影響，因為它取決于電容，而導通能量E_on則隨電流線性增加。