基于JEDEC JEP183A标准的SiC MOSFET阈值电压精确测量方法

介绍

阈值电压 (Vth)是 MOSFET (金属氧化物半导体) 的一种基本的电学参数。阈值电压 (Vth) 为施加到栅极的最小电压，以建立MOSFET漏极和源极端子之间的导电沟道。有几种方法可以确定阈值电压：根据器件的传输特性、漏极电流 (ld) 与栅极电压 (Vg) 曲线。在测试碳化硅 (SiC) MOSFET时，正向栅极电压扫描和反向栅极电压扫描都表现出滞后效应。这种效应主要是由于陷阱引起的，并导致阈值电压的偏移。这种阈值电压的差异会影响一些器件参数，如漏电流和导通电阻。

为了减小或降低阈值电压的滞后性，JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council，联合电子器件工程委员会)引入了JEP183A标准为测量SiC MOSFET的阈值电压提供了指导。这个标准描述了如何确定阈值电压的方法，即：在产生漏极电流和栅极扫描电压之前用调节脉冲。

从Clarius+ V1.14软件套件发布开始，基于JEP183A标准的SiC MOSFET阈值电压测试已包含在4200A-SCS参数分析仪中。这些测试使用两个源测量单元 (SMU)，通过Clarius软件执行。

图1. 硅碳化物MOSFET的ld与Vg曲线表现出滞后效应

本应用说明讨论了：根据JEDEC JEP183A标准，使用4200A-SCS参数分析仪，对SiC MOSFET进行精确的阈值电压测量。

JEDEC JEP183A标准

JEDEC JEP183A标准“SiC MOSFET 阈值电压 (Vt)测量指南”解决了硅MOSFET上使用的传统测试方法所表现出的滞后效应。迟滞是由于SiC器件中SiC/SiO2界面中的陷阱数量增加引起的，这导致正向和反向扫描之间的传输曲线发生偏移。

可以通过将栅极电压从0V扫描到最大栅极电压，然后再扫描回0V来观察迟滞。图1所示的SiC MOSFET漏极电流与栅极电压曲线证明了这种效应。在本例中，观察到正向曲线和反向曲线之间存在约120mV的差异。这些扫描是使用Clarius交互式软件生成的。

为了解决滞后效应，将调节脉冲施加到栅极，以帮助在向下栅极电压扫描之前释放陷阱。JEDEC JEP183A标准建议将调节脉冲设置为最大栅极电压。

JEP183A标准描述了SiC MOSFET阈值电压测量的三种不同方法。所有方法最初都在栅极上输出调节脉冲，但随后施加栅极和漏极电压的方式不同。这三种推荐的测试方法是：

■扫描栅极电压和固定漏极电压法

■扫描栅极和漏极电压法

■固定栅极和漏极电压方法

这些方法的详细信息在JEP183A标准中进一步描述。Clarius库包括用于执行前两种方法以提取阈值电压的测试。以下段落解释如何使用这些Clarius库测试。

使用4200A-SCS进行SiC MOSFET阈值电压测量

设置和执行阈值电压测试涉及到器件的硬件连接并使用Clarius软件配置和执行测试。

硬件连接

两个SMU和接地单元 (GNDU) 用于执行阈值电压测试，如图2中的基本电路图所示。两个SMU都处于施加电压和测量电流模式。一个SMU (SMU1) 的Force HI端子连接到MOSFET的栅极端子，并施加栅极电压 (Vg)，包括调节脉冲和向下电压扫描。第二个SMU (SMU2) 施加固定或扫描漏极电压 (Vd) 并测量漏极电流 (Id) 。Force LO (GNDU) 连接到MOSFET的源端。

电路示意图图中未显示连接到MOSFET的SMU和GNDU Sense HI和LO端子。同时使用施加（Force）和感测（Sense）端子可以与DUT进行四线（或开尔文）连接，以消除引线电阻影响测量精度。

图2. 功率MOSFET的栅极和漏极上SMU的连接示意图

使用 Clarius软件进行SiC MOSFET阈值电压测量

用于进行SiC阈值电压测量的测试在测试库和项目库中都有，可以通过搜索短语“SiC MOSFET”在Clarius界面的“选择”视图中找到。在测试库中找到测试后，可以选择它们，然后将其添加到项目树中。测试库包括两种方法的测试 (sic-mosfet vth-vgsweep-vdfixed-smu和sic-mosfet-vth-vgvdsweep-smu)。如图3的项目树所示，这两个测试也包含在项目库中的项目sic-mosfet-threshold-voltage中。这些测试将在以下段落中进一步描述。

图3. SiC MOSFET阈值电压项目树

扫描栅极电压和固定漏极电压法

第一个测试是sic-mosfet-vth-vgsweep-vdfixed-smu，它使用扫描栅极电压和偏置漏极电压方法，该方法使用SMU1向栅极 (Vg) 施加调节脉冲，然后向下扫描栅极电压 (SMU1)，同时固定漏极A电压 (SMU2)。漏极电流由SMU2测量，并绘制为栅极电压的函数。该测试的栅极电压 (Vg)、漏极电压 (Vd) 和漏极电流 (Id) 时序图如图4所示。

时序图中还显示了Vg图上的阈值电压 (Vth) 和Id图上的目标漏极电流（Id目标）。根据用户定义的目标漏极电流 (Id Target)，使用线性插值计算阈值电压 (Vth)。

图4.sic-mosfet-vth-vgsweep-vdfixed-smu测试项的栅极电压，漏极电压和漏极电流的时间曲线

测试的输入参数在Clarius的“配置”视图中设置，如图5所示。该测试具有配置调理脉冲、目标漏极电流、漏极电流测量范围、栅极电压扫描和漏极电压偏置的设置。此测试的所有输入和输出参数都列在附录A的表格中。

图5.sic-mosfet-vth-vgsweep-vdfixed-smu测试项的配置视图

JEDEC JEP183A标准建议将调节脉冲的幅度设置为最大栅极电压。电压扫描的步长应保持较小（0.1 V），以进行准确的阈值电压计算。

该测试方法中的时间参数要求调节脉冲设置在1到100ms之间，并且用户可调。浮动时间是调节脉冲结束和反向扫描开始之间的时间，不可调节。

执行测试时，漏极电流在分析视图图中绘制为栅极电压的函数，如图6所示。导出的阈值电压在图表上表示为红叉。

图6.sic-mosfet-vth-vgsweep-vdfixed-smu测试项的Id-Vg曲线中显示Vth

图7显示了泰克MSO5B系列示波器从两个SMU输出的栅极电压（黄色）和漏极电压（蓝色）的屏幕截图。

图7.sic-mosfet-vth-vgsweep-vdfixed-smu测试的示波器捕获图

所有测量值以及导出的阈值电压都显示在分析视图的图表中。工作表的第一个单元格还显示执行后的错误代码。这两项测试的所有错误代码都可以在附录C中找到。

此测试是使用wbg_ulib用户库中的SMU_vgsweepvdfixed用户模块创建的。

扫描漏极和栅极电压法

第二个测试是sic-mosfet-vth-vgvdsweep-smu，使用SMU1向栅极 (Vg) 施加调理脉冲，然后两个SMU向漏极(SMU2) 和栅极 (SMU1) 端输出相同幅度 (Vg=Vd) 的向下电压扫描。该测试的栅极电压 (Vg)、漏极电压 (Vd) 和漏极电流 (Id) 时序图如图8所示。与之前的测试一样，阈值电压 (Vth) 是使用目标漏极电流的线性插值计算的。

图8.sic-mosfet-vth-vgvdsweep-smu测试的栅极电压 (Vg)、漏极电压 (Vd) 和漏极电流 (Id) 时序图

该测试的输入参数在“配置”视图中设置，如图9所示，与第一次测试中的输入参数类似，但没有漏极电压偏置设置。输入和输出参数及其描述列在附录B中。

图9.sic-mosfet-vth-vgvdsweep-smu测试的配置界面

执行此测试的结果如图10所示。与第一个测试一样，外推的阈值电压在传输曲线上显示为红叉。

图10.sic-mosfet-vth-vgvdsweep-smu测试的Id-Vg图中显示Vth

示波器栅极和漏极电压的波形捕获如图11所示。请注意栅极和漏极电压扫描重叠，因为两个扫描同时输出。

图11.sic-mosfet-vth-vgvdsweep-smu测试的示波器捕获图

此测试是使用wbg_ulib用户库中SMU_vgvdsweep用户模块创建的。

结论

4200A-SCS参数分析仪与Clarius+软件套件和两个SMU配合使用，使用基于JEDEC JEP183A标准的测试方法，可以对SiC MOSFET进行精确的阈值电压测量。这些方法通过施加调节脉冲来释放陷阱来减轻滞后效应。凭借其内置的测试和项目库，Clarius软件使4200A-SCS成为SiC器件表征的强大工具。Clarius V1.14版本中添加了另一项SiC MOSFET测试，可在SiC器件上进行准静态C-V测量。