SiCMOSFET的短路失效可靠性

电力电子技术与新能源 2024-04-14 21:47

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1.短路失效可靠性介绍

SiC MOSFET相比于硅基 IGBT具有更低的短路可靠性，主要表现为器件短路耐受时间更短以及短路引起的特性退化更为严重。

IGBT 数据手册中明确指出，器件在一定应力条件下可以耐受10s 的短路时长。对于 SiC MOSFET 而言，一些研究学者对 Cree、ROHM、ST 等公司的 SiC MOSFET 产品进行单次短路实验，均在8s 内观察到了失效现象。由此可见，SiC MOSFET短路耐受时间短，在可靠性方面与IGBT 相比存在差距。

短路引起的 SiC MOSFET 电学参数的退化受到了电、热、机械等多种应力的作用，其退化机理需要从外延结构、芯片封装以及器件可靠性等多方面进行论证分析。由此可见，由于 SiC MOSFET 的短路特性退化具有退化参数多、退化程度大以及退化机理复杂等特点，使得其短路可靠性问题的研究变得更为困难。

2.短路失效的两种典型现象

目前，已有很多学者从理论推演、实验观察、建模仿真及逆向分析等多个角度对其退化失效现象进行了分析验证。研究表明，SiC MOSFET 若发生短路并造成其失效，则可能出现两种典型的失效现象：栅源极之间短路(G-S短路)和漏源极之间短路(D-S 短路)。

短路故障通常分为以下3类：

Type I 型短路：该短路类型是指 SiC MOSFET在导通前已处于短路回路中，器件开通即处于短路状态，因此该故障类型也叫硬开关故障(hard switching fault，HSF)。

Type II型短路：SiC MOSFET处在导通状态时，若负载端突然短路，造成不同桥臂间的两支开关管出现短路，则将此类故障定义为 Type II 型短路故障，也称为负载短路故障(fault under load，FUL)。

Type III 型短路：在电机驱动、变频器等一些应用领域，SiC MOSFET 可能运行在第三象限，若此时负载端发生短路，则开关管 LS2 的运行状态迅速由第三象限转向第一象限。器件由低压、逆向电流的工作状态迅速转变成高电压、大电流的短路状态。

图1 三种短路故障的特征对比

3.失效机理

目前,国内外学者对两种模式下器件失效机理的探究已经从器件的表面封装深入到芯片的元胞结构。其失效点主要分为：JFET 区栅氧层、内部寄生NPN晶体管、沟道区栅氧层、栅极上方氧化层，如图2所示。当①或②发生损坏时，造成器件发生D-S 短路失效模式；当③或④发生损坏时，器件发生 G-S 短路失效模式。

图2 平面栅 SiC MOSFET 半元胞结构及短路失效点

SiC MOSFET 短路失效的原因可能为高温引起源极铝熔化，产生的应力破坏了 SiCMOSFET 部分元胞中栅极上方氧化层甚至栅氧层的绝缘结构，导致器件出现不可控的短路失效。

图3 SiC MOSFET 失效分析

通过 TCAD 仿真观察到了图 2 中②区域空穴电流的增加，并且仿真观察到与实验结果相似的电流失控现象，如图 4 所示，从而验证了NPN晶体管导通现象存在的可能性。同时，该结论也可以解释 D-S 短路失效中另外一种延迟失效现象。在此类失效模式下，器件在关断后的延迟阶段，电流并未降低到零，而是存在几十A 的泄漏电流。随后，短路积累的热量与寄生 NPN 晶体管导通产生的电流形成正反馈，导致器件无法正常关断，进而引发热失控。

图4 寄生 NPN 晶体管导通及空穴电流的产生

MOSFET 作为一种典型的场控型器件，在开通关断瞬间，由于栅氧层等效电容的存在，器件的栅极会产生较大的充放电电流，而在开通关断过程以外，栅极只会有一个极小的漏电流存在。

SiC MOSFET 在短路过程中由于受到栅极电场以及器件结温的共同作用，使得栅氧层表面的电子隧穿效应以及热电子发射效应增强，最终达到栅氧层的临界击穿值，致使栅氧层发生击穿。

4.小结

SiC MOSFET 短路失效机理以及器件可靠性问题的研究，随着应用的不断深入会变得越来越迫切。对于多种失效机理存在的准确性与普遍性，仍需做进一步论证，还需进一步论证失效机制背后的深层次原因。

依据器件失效与退化机理的分析，会进一步指导器件工艺的优化、短路保护的设计以及可靠性的多维分析，这对器件的寿命而言是十分重要的，也是我们时刻要关注的焦点和突破点。

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