SiC MOSFET在实际应用栅极开关运行条件下的参数变化

《SiC MOSFET在实际应用栅极开关运行条件下的参数变化（AC BTI）》

多年来，英飞凌一直在进行超越标准质量认证方法的应用相关试验，以期为最终应用确立可靠的安全运行极限。阈值电压和导通电阻在实际应用运行条件下的漂移，是我们深入研究的一个“SiC特有”的重点问题。我们将SiC MOSFET在高频率双极栅极开关条件下和高温下的应力称之为“AC偏压温度不稳定性（BTI）试验”。请注意，这一新的“AC BTI试验”是对标准化的“DC BTI试验”进行重要延伸后所得的结果，DC BTI试验在前一章中已经讨论过，通常用于进行Si和SiC MOSFET技术的质量认证。我们决定在SiC MOSFET的标准质量认证体系中加入这些新型的应力试验是因为，事实表明，在特定的交流栅极应力条件下，参数漂移可能超过施加标准直流栅极应力后的典型值。这与DC BTI始终被视为“最坏情况”的Si技术是不同的。

为了增进对这一新的漂移现象的认识，也为了指导客户在设计中如何避免可能危险的临界运行条件，英飞凌已在2018年发布了一份描述AC BTI的基本特点的应用说明（AN），并阐述了它在典型的应用环境中可能造成的后果。2019年，我们根据最新的发现对该应用说明进行了完善和扩展。本章内容可以算作英飞凌的应用说明的补充资料，旨在更深入地了解AC BTI现象与其他因素的关系。

AC BTI建模

英飞凌在各种运行条件下开展了广泛的试验，以期建立一个半经验的预测模型，用于描述阈值电压（VTH）在典型的SiC MOSFET应用中的变化，这些变化跟应力施加时间（tS）、栅极偏压下限（VGL）、栅极偏压上限（VGH）、开关频率（f）和运行温度（T）等相关。

在高MOSFET开关频率（比如500kHz）下测量阈值电压是特别有挑战的，因为它不仅要求电气参数的分辨率高，还要求测量延时达到微秒级。为此，英飞凌已开发出定制的高端应力/试验设备，可用于在AC栅极应力试验期间进行快速的原位参数监测。

AC BTI的特点之一是，在我们研究过的所有器件中阈值电压漂移都是正的。阈值电压增大可降低MOS沟道过驱动电压（VGH-VTH），从而使得器件的沟道电阻（Rch）变大。

在公式（2）中，L代表沟道长度，W代表沟道宽度，μn代表自由电子迁移率，Cox代表栅极氧化层电容，VGH代表栅极电压上限，而VTH代表器件的阈值电压。在高功率器件中，沟道电阻只是器件的总导通电阻的一个分量。

在公式（3）中，Rch代表沟道电阻，RJFET代表结型场效应晶体管（JFET）电阻，Repi代表漂移带的外延层电阻，而RSub代表高掺杂SiC衬底的电阻。沟道电阻（∆Rch）因为栅极过驱动电压（∆VTH）降低而增大，最终使得器件的总导通电阻（∆RON）略微变大。总导通电阻增大可能导致静态损耗更大，进而导致运行期间的结温略微升高。为了防止在125°C下进行10年的连续开关操作期间，发生可能导致导通电阻出现潜在临界漂移（>15%，在数据表的最大额定值中已经考虑）的运行条件，英飞凌的应用说明提供了指导图表来说明推荐的栅极驱动电压和频率。这些指导图表依据的是在深入研究和测量AC BTI的基本特点之后创建的退化模型。

AC BTI的基本特点

本段主要借助一系列实验数据来揭示和阐明AC BTI的基本特点。漂移模型与数据进行拟合，以得到半经验模型系数。所示的拟合曲线对应用于计算AN中栅极电压指导图表的漂移模型。

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与开关频率（f）的关系

AC BTI取决于开关事件次数，且AC VTH漂移符合幂律：

因此，更恰当的做法是绘制AC漂移与开关次数的关系图，而不是像DC BTI的典型做法一样绘制漂移与应力施加时间的关系图。在图12中，我们比较了两种不同的开关频率。当开关次数相同时，所看到的漂移是相似（不是完全一样）的，它与总应力施加时间无关。正是因为这个原因，相比在相对较低的开关频率下运行的应用（比如驱动），在较高开关频率下运行的应用（比如太阳能）更容易受到AC BTI的影响。此外，由于受影响的主要是静态损耗，所以AC BTI漂移对应用中的总损耗的最终影响，取决于给定的导通损耗与开关损耗之比。在某个特定的应用中，如果开关损耗在总损耗中占据绝对比例，那么即使开关频率更大，导通损耗的增加对于系统设计的影响也不大。

图12.在加速的栅极电压（VGH>18V；VGL<-5V）和温度（TS>150°C）条件下测量的AC VTH漂移。记录所用的总应力施加时间相同、但应力施加频率（50和500kHz）不同时的数据。AC VTH漂移显示出与开关次数成正比的幂律式增长。漂移模型用虚线表示。

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与栅极偏压下限（VGL）的关系

AC BTI还有个特点是，它与栅极偏压下限（VGL）的关系。事实上，如果SiC MOSFET长时间在在关断状态施加负栅极偏压的模式下运行，AC BTI只会导致VTH漂移增大。如果器件是在VGL=0V时关断的，则获得的VTH漂移显示出典型的DC BTI漂移行为，而不依赖于开关次数。在关断状态下较大的负栅极电压可通过以下方式影响VTH漂移（参见图13）：当开关次数较少时，VTH漂移因为弛豫效应而较少；但是，当开关次数较多时，VTH漂移通常因为负关态栅极电压更高导致漂移斜率更大（幂律指数）而变大。

图13.短时间内施加大量脉冲（f=500kHz）获得的加速条件下，以及上限栅极电压（VGH>+18V）和温度（TS>150°C）条件下，测量的AC VTH漂移。记录使用不同栅极电压下限时的数据。当使用的栅极电压下限高于-2.5V时（比如-1V），VTH漂移的幅度和斜率类似于或低于DC BTI。当施加更负的下限栅极电压时（比如-5V），AC BTI在经过大量的开关周期后开始占据主导地位。这是由AC BTI的漂移斜率（幂律指数）变大导致的。漂移模型（虚线）与实测数据的吻合度非常好。

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与栅极偏压上限（VGH）及温度（T）的关系

AC BTI与通态栅极电压（VGH）和运行温度（T）的关系与DC BTI类似。如图14和图15所示，在较高的VGH等级和高温下，VTH漂移值更大。但是，这并不一定意味着，这种运行条件对于应用而言更为关键。

当VGH等级较高时，可以观察到BTI更大。但是，由于栅极驱动电压变大，总导通电阻对VTH变化变得不那么敏感。因此，尽管VTH漂移变大，但RON在VGH值较大时的相对变化可能反倒变小。这使得相比15V的通态电压，在18V的通态电压下运行得到的曲线更为缓和。

高温通常也可导致BTI变大。另外，在高温下，JFET和漂移区（epi）电阻相对于沟道电阻变得更加明显。因此，尽管VTH漂移变大，但RON在温度更高时的相对变化可能同样更小。

图14.在加速频率（f=500kHz）和温度（TS>150°C）条件下测量的AC VTH漂移。记录在典型的栅极电压下限和不同的栅极电压上限时的数据。施加较大的栅极电压上限导致实测数据发生近似平行的漂移。漂移模型（虚线）与实测数据的吻合度非常好。

图15.在加速频率（f=500kHz）和栅极电压上限（VGH>18V）条件下测量的AC VTH漂移。记录在典型的栅极电压下限和不同应力温度下的数据。温度较高时的应力导致实测数据发生平行漂移。漂移模型（虚线）符合实测数据的趋势，但在本试验中稍微高估了漂移的绝对值。

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漂移饱和

我们进行了近1年的开关频率加速AC栅极应力实验，以研究在典型应用开关条件下的长期AC BTI。在这些长期实验中观察到的漂移表明，在寿命终期实测的AC BTI漂移可能低于通过漂移模型预测的漂移，因为漂移效应已开始饱和。

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与负载电流的关系

为完成评估，在各种负载电流下进行了几项实验。所观察到的VTH和RON漂移基本上符合AC BTI漂移模型，这表明负载电流本身并不会改变观测到的漂移行为。但也发现，栅极信号过冲和下冲——在逆变器应用中很常见——可能影响AC BTI。这一点在英飞凌的第二版应用说明中已有说明，其中还就如何正确地评估和抑制应用中的过冲和下冲给出具体的指导。

原文标题：【跨年技术巨献】SiC MOSFET在实际应用栅极开关运行条件下的参数变化（AC BTI）

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责任编辑：haq