SiC MOSFET：經(jīng)濟高效且可靠的大功率解決方案

碳化硅已被證明是高功率和高電壓設(shè)備的理想材料。但是，設(shè)備的可靠性非常重要，我們指的不僅僅是短期的可靠性，還有長期的可靠性。性能、成本和可制造性也是其他重要因素，但可靠性和耐用性是碳化硅成功的關(guān)鍵。

碳化硅(SiC)材料是功率半導(dǎo)體行業(yè)主要進步發(fā)展方向，用于制作功率器件，可顯著提高電能利用率?？深A(yù)見的未來內(nèi)，新能源汽車是碳化硅功率器件的主要應(yīng)用場景。特斯拉作為技術(shù)先驅(qū)，已率先在Model 3中集成全碳化硅模塊，其他一線車企亦皆計劃擴大碳化硅的應(yīng)用。隨著碳化硅器件制造成本的日漸降低、工藝技術(shù)的逐步成熟，碳化硅功率器件行業(yè)未來可期。

碳化硅(SiC)是第三代化合物半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基石是芯片，制作芯片的核心材料按照歷史進程分為：第一代半導(dǎo)體材料(大部分為目前廣泛使用的高純度硅)，第二代化合物半導(dǎo)體材料(砷化鎵、磷化銦)，第三代化合物半導(dǎo)體材料(碳化硅、氮化鎵) 。碳化硅因其優(yōu)越的物理性能：高禁帶寬度(對應(yīng)高擊穿電場和高功率密度)、高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率，將是未來最被廣泛使用的制作半導(dǎo)體芯片的基礎(chǔ)材料。

碳化硅在半導(dǎo)體芯片中的主要形式為襯底。半導(dǎo)體芯片分為集成電路和分立器件，但不論是集成電路還是分立器件，其基本結(jié)構(gòu)都可劃分為“襯底-外延-器件” 結(jié)構(gòu)。碳化硅在半導(dǎo)體中存在的主要形式是作為襯底材料。

全球有 30 多家公司已將 SiC 技術(shù)作為生產(chǎn)其功率器件的基礎(chǔ)。此外，幾家領(lǐng)先的功率模塊和功率逆變器制造商已為其未來基于 SiC 的產(chǎn)品的路線圖奠定了基礎(chǔ)。碳化硅 (SiC)MOSFET 即將徹底取代硅功率開關(guān);該行業(yè)需要能夠應(yīng)對不斷變化的市場的新驅(qū)動和轉(zhuǎn)換解決方案。

性能和可靠性

性能可以通過在 SiC 功率器件上運行 HTGB(高溫柵極偏置)和 HTRB(高溫反向偏置)應(yīng)力測試來評估。Littelfuse 已在 175 °C 的溫度下對 1200V、80mΩ SiC MOSFET 進行了壓力測試，采用不同的 V GS值并對器件施加長達 1000 小時的壓力。結(jié)果如圖1所示。

盡管獲得了優(yōu)異的結(jié)果，HTGB+ 測試的持續(xù)時間(V GS =+25V，T=175°C)已延長至 5500 小時，而 HTGB- 測試的持續(xù)時間(V GS =-10V，T=175°C) ) 已延長至 2700 小時。即使在這些情況下，也觀察到了最小偏差，證實了 SiC MOSFET 在這些條件下的性能和可靠性。

柵極氧化物是碳化硅 MOSFET 的關(guān)鍵元素，因此其可靠性極為重要。柵極氧化物可靠性的評估分為兩部分。第一部分基于 TDDB(時間相關(guān)介質(zhì)擊穿)測試。根據(jù)施加在柵極氧化物上的電場(從 6 到 10 MV/cm)，器件壽命會發(fā)生顯著變化。圖 2 顯示了在不同溫度下進行的該測試的結(jié)果。在第二部分中，對常見的 1200V、18mΩ 硅 MOSFET 進行了加速柵極氧化物壽命測試。兩個測試結(jié)果之間的密切一致性證實了 SiC MOSFET 是可靠的器件，在 T=175°C 和 V GS =25V下運行時，預(yù)計使用壽命超過 100 年。

短路魯棒性

與碳化硅技術(shù)相關(guān)的另一個重要方面是短路穩(wěn)健性。為了檢查其碳化硅功率器件的短路穩(wěn)健性，Littelfuse開發(fā)了自己的特定測試板。該電路如圖 3 所示，包括一個 1200V 80mΩ SiC MOSFET (DUT)、一個僅為安全原因使用的 IGBT (Q1) 和三個電容器。結(jié)果如圖 4 所示，取決于所施加的柵極電壓(12V、15V、18V 或 20V)，短路耐受時間顯著變化。

用最低的柵極電壓 (12V) 獲得最長的時間 (約 15μs)。此外，峰值電流強烈依賴于柵極電壓，從 20V 柵極電壓下的近 300A 降至 12V 柵極電壓下的約 130A。即使碳化硅 MOSFET 的短路耐受時間比 IGTB 短，SiC 器件也可以通過集成到柵極驅(qū)動器 IC 中的去飽和功能得到保護。