【導(dǎo)讀】功率半導(dǎo)體作為電力電子行業(yè)的驅(qū)動(dòng)力之一，在過去幾十年里硅(Si)基半導(dǎo)體器件以其不斷優(yōu)化的技術(shù)和成本優(yōu)勢(shì)主導(dǎo)了整個(gè)電力電子行業(yè)，但它也正在接近其理論極限，難以滿足系統(tǒng)對(duì)高效率、高功率密度的需求。而當(dāng)下碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等寬禁帶半導(dǎo)體以其優(yōu)異的電學(xué)和熱學(xué)特性使得功率半導(dǎo)體器件的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)硅材料的限制。
引言
功率半導(dǎo)體作為電力電子行業(yè)的驅(qū)動(dòng)力之一，在過去幾十年里硅(Si)基半導(dǎo)體器件以其不斷優(yōu)化的技術(shù)和成本優(yōu)勢(shì)主導(dǎo)了整個(gè)電力電子行業(yè)，但它也正在接近其理論極限，難以滿足系統(tǒng)對(duì)高效率、高功率密度的需求。而當(dāng)下碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等寬禁帶半導(dǎo)體以其優(yōu)異的電學(xué)和熱學(xué)特性使得功率半導(dǎo)體器件的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)硅材料的限制。然而，目前寬禁帶半導(dǎo)體的市場(chǎng)滲透率還比較低，只有當(dāng)相應(yīng)的制造技術(shù)足夠成熟，成本具有競(jìng)爭(zhēng)力時(shí)，才會(huì)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。足夠的技術(shù)成熟度則意味著寬禁帶(WideBandgap, WBG)半導(dǎo)體器件還需要不斷改進(jìn)和優(yōu)化，今天我們就來聊聊碳化硅目前在可靠性和壽命方面有哪些主要的限制。
寬禁帶半導(dǎo)體概述
寬禁帶半導(dǎo)體，指的是價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能量偏差(帶隙)大，決定了電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶所需要的能量。更寬的帶隙允許器件能夠在更高的電壓、溫度和頻率下工作。下圖展示是目前較為熱門的寬禁帶半導(dǎo)體材料，碳化硅和氮化鎵相對(duì)于硅的特性對(duì)比[1]。
這張圖想必大家都很熟悉了，這里我們?cè)僖黄鸹仡櫼幌?今天我們主要圍繞碳化硅展開)。
首先寬禁帶半導(dǎo)體以其帶隙命名，其禁帶寬度為硅的3倍左右，意味著需要更大的能量來激發(fā)電子導(dǎo)電，這也解釋了為什么WBG材料的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是傳統(tǒng)硅材料的10倍。另外，禁帶寬度也關(guān)系到最大工作溫度，禁帶寬度越大意味著本征載流子濃度越低，從而寬禁帶半導(dǎo)體可以運(yùn)行在比硅基更高的溫度，因?yàn)楣β拾雽?dǎo)體保持其性能的運(yùn)行溫度的前提是其本征載流子濃度低于電離摻雜濃度。
我們從理論上評(píng)估半導(dǎo)體材料時(shí)常用到Baliga優(yōu)值(BFOM—Baliga’s Figure Of Merit)，我們可以通過它來理解碳化硅的優(yōu)勢(shì)。
其中，RDS(ON,sp)是我們所說的比導(dǎo)通電阻，Ec是電場(chǎng)強(qiáng)度，μn是電子遷移率，?r是介電常數(shù)。
從上表[1]我們可以看到，WBG由于其優(yōu)越的BFOM，RDS(ON,sp)低于硅，在相同的芯片尺寸下，WBG功率器件的RDS(ON,sp)要小得多，從而導(dǎo)通損耗更低。對(duì)于給定擊穿電壓和RDS(ON)，WBG擁有比硅更小的芯片尺寸，可實(shí)現(xiàn)更小的結(jié)電容和柵極電荷，從而降低了開關(guān)損耗。
碳化硅作為新一代的半導(dǎo)體材料，憑借其寬禁帶、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高熱導(dǎo)率等優(yōu)異的性能，使得電力電子系統(tǒng)能夠工作在更高電壓、更高頻率和更高功率密度。但相比于硅基器件，從碳化硅到碳化硅器件的整個(gè)生產(chǎn)工藝和技術(shù)還沒有達(dá)到硅那樣的成熟度，所以碳化硅的可靠性并沒有表現(xiàn)得很突出，壽命甚至比硅基的小。
碳化硅可靠性
經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，硅材料到器件的整個(gè)制造工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟和完善，而碳化硅在這期間只是保持著研究和探索，直到近十多年才開始規(guī)模應(yīng)用。隨著碳化硅功率器件(主要集中在SiC MOSFET 和SBD)不斷進(jìn)入市場(chǎng)，應(yīng)用中在驗(yàn)證它優(yōu)異電學(xué)特性帶來的優(yōu)勢(shì)時(shí)，對(duì)于其可靠性和壽命的考量也越來越重要，例如經(jīng)常被提及的閾值電壓漂移，短路魯棒性以及封裝技術(shù)等，這些因素使得碳化硅的可靠性受到了極大的挑戰(zhàn)。
閾值電壓漂移(柵極氧化層可靠性)
與硅相比，碳化硅具有更高的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)以及其帶來的更高的耐壓和相同耐壓下更薄和更小的漂移區(qū)電阻，但是更高的臨界場(chǎng)強(qiáng)意味著碳化硅MOSFET的柵極氧化層面臨著更高的電場(chǎng)強(qiáng)度。由于SiO2/SiC的介電常數(shù)比值?s/?ox≈2.5，這意味著氧化層內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度約為碳化硅半導(dǎo)體中的2.5倍。SiO2的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度約為10MV/cm，但基于目前的技術(shù)，為了保證良好的可靠性，碳化硅MOSFET最大允許氧化物的正向偏置約為3.5~4.0MV/cm，負(fù)偏置約為1.5~2.0MV/cm。
關(guān)于柵極氧化物的可靠性，我們實(shí)際應(yīng)用中更為關(guān)注柵極閾值電壓漂移。由于制造工藝導(dǎo)致SiC/SiO2界面的界面態(tài)密度(Dit)比Si/SiO2界面高出了近2~3個(gè)數(shù)量級(jí)，由此引起的柵極閾值電壓不穩(wěn)定性嚴(yán)重影響了碳化硅的可靠性。
關(guān)于閾值電壓漂移的機(jī)理[2]，大致解釋如下。我們認(rèn)為碳化硅熱生長(zhǎng)的氧化物包含著四類正電荷：移動(dòng)電荷(m)、固定氧化物電荷(F)、捕獲氧化物電荷(T)和界面態(tài)電荷(I)。
時(shí)間關(guān)系的閾值電壓可以表示為
Vthi為初始閾值電壓，Cox為柵極氧化層比電容。理論上，在驅(qū)動(dòng)和高溫條件下較大的正Vth位移歸結(jié)于兩個(gè)方面。首先是電子直接隧穿進(jìn)入SiC/SiO2界面附近的氧化物陷阱；另外，在較薄柵極氧化層的情況下，F(xiàn)owler-Nordheim隧穿電流會(huì)向氧化層注入額外的電子，然后引起進(jìn)一步的Vth位移。第二，在高溫和柵極偏置條件下的顯著Vth位移歸結(jié)于在工作時(shí)間內(nèi)額外氧化物陷阱的激活。
閾值電壓Vth的不穩(wěn)定性由兩個(gè)部分組成：永久部分和可恢復(fù)部分。前者為偏置溫度不穩(wěn)定性(BTI: BiasTemperature Instability)，后者為Vth的遲滯現(xiàn)象。
永久部分
當(dāng)器件滿足設(shè)計(jì)需求時(shí)，我們更多關(guān)注的便是可靠性，其中對(duì)于柵極可靠性經(jīng)常通過高溫柵極偏置驗(yàn)證，在高溫環(huán)境(如175℃)下，對(duì)柵極施加特定的正柵極電壓，在沒有漏極電流的情況下存儲(chǔ)1000小時(shí)。在此類“靜態(tài)”的柵極偏置測(cè)試中，正柵極電壓可以導(dǎo)致Vth正偏，相反，負(fù)柵極電壓會(huì)導(dǎo)致Vth向下偏移。通常，這樣的情況下閾值電壓偏移在幾百mV，這對(duì)于設(shè)計(jì)良好的柵極氧化層而言屬于正常范圍。然而，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用而言，HTGB并不能反映閾值電壓不穩(wěn)定性的實(shí)際情況，功率半導(dǎo)體器件在應(yīng)用中大多處于正柵極偏置和高結(jié)溫(Tj)的脈沖電流下，這種情況將會(huì)導(dǎo)致更大的Vth偏移，此處功率循環(huán)(PC)在評(píng)估模塊不同材料相關(guān)的失效機(jī)制同時(shí)也能夠更貼近實(shí)際工況地考量Vth偏移及其帶來的影響。在經(jīng)過一定測(cè)試PC循環(huán)后，Vth正向偏移，可以用下圖概念性地描述下。
Vth的偏移會(huì)影響碳化硅MOS的導(dǎo)通電阻，即導(dǎo)通壓降VDS。我們可以粗略地將VDS表示為
其中，Lch為溝道長(zhǎng)度，W為溝道寬度，Cox為氧化層比電容，μin為反型層電子遷移率。Lch、W和Cox我們可以認(rèn)為器件的常數(shù)，而電子遷移率隨溫度升高而降低。可以看出閾值電壓Vth的正向偏移會(huì)增大碳化硅MOSFET的導(dǎo)通電阻，從而增加導(dǎo)通損耗，繼而增加結(jié)溫。比如在功率循環(huán)中，隨著Vth不斷增大，導(dǎo)通電阻隨之不斷增大，從而ΔTj將不斷增大，更大的結(jié)溫又將加速閾值電壓的退化，直到器件某一點(diǎn)出現(xiàn)失效。這樣一直由于閾值電壓偏移導(dǎo)致的正反饋，對(duì)于碳化硅MOSFET的可靠性產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。
可恢復(fù)部分
除了永久性的閾值電壓偏移，還發(fā)現(xiàn)在碳化硅MOSFET的開關(guān)過程中Vgs,on和Vgs,off應(yīng)力下也會(huì)導(dǎo)致閾值電壓的偏移。Vth的遲滯是可以完全恢復(fù)的，與其關(guān)斷時(shí)的啟動(dòng)電壓也就是Vg,off有關(guān)，并隨著正柵極電壓的增加而略有增加，此外研究表明跟具體的器件結(jié)構(gòu)也有關(guān)系。
Vth的遲滯現(xiàn)象取決于界面態(tài)的充放電情況，當(dāng)Vg,off為負(fù)值時(shí)，器件處于積累狀態(tài)，供體陷阱捕獲空穴，Vg,off負(fù)得越多，捕獲空穴越多。當(dāng)器件從積累到耗盡，再變成反轉(zhuǎn)時(shí)，費(fèi)米能級(jí)快速穿過碳化硅帶隙，使得界面態(tài)進(jìn)入非穩(wěn)態(tài)，并發(fā)生供體陷阱的放電，導(dǎo)致Vth減小，Vg,off越小，Vth就越小。這將影響到碳化硅MOSFET的動(dòng)態(tài)性能，Vth的減小變相地加快了開啟，降低了開通損耗Eon；但同時(shí)也可能導(dǎo)致漏極電流的過調(diào)，從而增加開關(guān)損耗，加速器件老化。并且也會(huì)導(dǎo)致短路時(shí)峰值電流的增加，加劇短路工況。
另外，對(duì)于多并聯(lián)的情況，由于Vth遲滯引起的不規(guī)則Vth減小將影響動(dòng)態(tài)均流，從而降低器件的可靠性和使用壽命。雖然是可以恢復(fù)的，但對(duì)于開關(guān)速度更快的碳化硅而言，對(duì)于動(dòng)態(tài)特性的影響還是不容忽視的，實(shí)際中合理的選取Vg,off和設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)參數(shù)顯得尤為重要。
2.短路的魯棒性
對(duì)于碳化硅MOSFET而言，另一個(gè)討論較多的便是短路耐受時(shí)間(SCWT)。傳統(tǒng)的硅基IGBT的耐受時(shí)間在10us左右，而碳化硅只有幾個(gè)微秒(如2~4us)，具體數(shù)值跟每家供應(yīng)商的設(shè)計(jì)相關(guān)。
碳化硅的比溝道電阻我們可以用以下式子[3]表示，
其中，Lch和Wch為溝道長(zhǎng)度和寬度，μch為溝道遷移率，Cox為氧化層比電容，Vgs為驅(qū)動(dòng)電壓，Vth為閾值電壓，W和S為MOSFET元胞寬度和間距。
可以看出，增加電子遷移率和優(yōu)化結(jié)構(gòu)可以達(dá)到降低溝道電阻的目的，但任何減小溝道電阻的措施都會(huì)相應(yīng)地導(dǎo)致飽和電流密度的成比例增大，飽和電流密度可以表示為，
從而影響到短路耐受時(shí)間tsc。短路耐受時(shí)間tsc我們可以表達(dá)為，
其中，
是材料密度，Cp為比熱，Jd,sat為飽和電流密度，Ec為臨界電場(chǎng)，WJ為JFET區(qū)的寬度，S為單元間距，ΔTmax為最大可接受溫升，Vds為施加的漏源極電壓，VB為器件耐壓。
可以看出，短路耐受時(shí)間與臨界電場(chǎng)成反比，所以碳化硅往往比類似等級(jí)的硅器件所能承受的短路電流短，而降低溝道電阻或進(jìn)一步縮短短路耐受時(shí)間，需要進(jìn)行權(quán)衡。較短的短路耐受時(shí)間對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)提出了更高的要求，同時(shí)能否在較短的短路時(shí)間內(nèi)保護(hù)住也成為碳化硅可靠性的一個(gè)重要話題。
3.封裝
半導(dǎo)體芯片、銅和陶瓷材料之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)在高溫下的巨大變化會(huì)引起顯著的熱應(yīng)力，限制著器件最高工作溫度和壽命，同時(shí)由于綁定線引入的雜散電感，影響著電路的穩(wěn)定性。隨著碳化硅種種優(yōu)異的性能，傳統(tǒng)基于硅基的封裝技術(shù)已無法很好地適應(yīng)其高速發(fā)展的步伐。
基于碳化硅的高臨界電場(chǎng)和低本征載流子濃度，碳化硅芯片工作在超過200℃的高溫下，同時(shí)碳化硅的芯片尺寸更小帶來了更大的熱應(yīng)力集中，傳統(tǒng)封裝的熱應(yīng)力幾乎不能滿足，需要引進(jìn)新的封裝技術(shù)，提高熱機(jī)械可靠性。目前我們可以嘗試采用不同材料的DCB或者AMB來提高碳化硅模塊的性能，如AlN，Si3N4等。
同時(shí)，碳化硅更高的開關(guān)速度，對(duì)于雜散電感更為敏感，因此要求封裝中更低的雜散電感，需要引入新的芯片互連技術(shù)。如更改綁定線的材料，如銅綁定線，或者銅帶綁定；又如Semikron Danfoss推出的汽車級(jí)碳化硅模塊eMPack，采用柔性薄膜進(jìn)行芯片間的互聯(lián)。
另外，Semikron Danfoss在功率循環(huán)AN 21-001的壽命模型中提到了根據(jù)芯片厚度等引入的修正因子kthickness
對(duì)于耐壓小于1200V的IGBT此因子為1，對(duì)于1700V的IGBT為0.65，而由于碳化硅材料的楊氏模量（彈性模量）約為硅的3倍，考慮到這個(gè)因素，對(duì)于耐壓小于1200V的SiC此因子只有0.33。
所以，要想充分發(fā)揮碳化硅的性能，提高其可靠性和壽命，先進(jìn)的封裝技術(shù)是必不可少的，這也是目前大力發(fā)展的方向之一。
總結(jié)
碳化硅以其高臨界電場(chǎng)和高熱導(dǎo)率等優(yōu)勢(shì)給已經(jīng)接近物理極限的硅半導(dǎo)體帶來了延續(xù)，推動(dòng)著電力電子系統(tǒng)的發(fā)展，但碳化硅并不像硅那樣，經(jīng)過多年的發(fā)展和多年的市場(chǎng)應(yīng)用，技術(shù)和成本都已經(jīng)相當(dāng)成熟。雖然碳化硅有著相當(dāng)優(yōu)異的物理特性和電學(xué)特性，但是生產(chǎn)工藝的成熟度還沒有達(dá)到和傳統(tǒng)硅一樣，就像上述柵極氧化層可靠性，短路魯棒性以及封裝等等依舊限制著碳化硅器件的可靠性和壽命。
相信隨著碳化硅生產(chǎn)工藝和外部配套的不斷發(fā)展，其可靠性和壽命將得到不斷地提升。
參考文獻(xiàn)：
[1]‘Review of wide band-gap technology: power device, gate driver, and converterdesign’, Krishna Ravinchandra, 2022
[2] ‘Roleof Threshold Voltage Shift in Highly Accelerated Power Cycling Test for SiCMOSFET Modules’, Haoze Luo, 2020
[3] ‘DemonstraTIonof constant-gate-charge scaling to increase the robustness of silicon carbidepower MOSFETs’, James A. Cooper, 2021
[4] ‘RecentReview on Failure in Silicon Carbide Power MOSFETs’, Divine Khan Ngwashi, 2021
[5]ApplicaTIon Note AN 21-001, ‘Power cycle model for IGBT product lines’, ArendtWintrich, 2021
(來源：賽米控—丹佛斯 作者：杜金凌)
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