SiCMOSFET的浪涌可靠性测试研究

为什么要进行浪涌测试？ SiC器件虽然拥有诸多优势，但是由于SiC MOSFET栅氧工艺的局限性，其可靠性存在不少问题。
如果要实现SiC MOSFET的广泛应用，可靠性问题是必须要解决的一个问题。其中，浪涌可靠性是器件可靠性指标的一种，是指MOSFET承受浪涌电流的能力。浪涌电流是指电源接通瞬间或是在电路出现异常情况下产生的远大于稳态电流的峰值电流或过载电流。
在电子设计中，浪涌主要指的是电源刚开通的那一瞬息产生的可能高于电源本身的强力脉冲；也指由于电源或电路中其它部分受到的本身或外来的尖脉冲干扰。电路很可能在浪涌的一瞬间烧坏，发生 PN 结电容击穿，电阻烧断等等。浪涌的应力主要是由器件内部的体二极管来承受，所以浪涌测试的目的就是测试二极管所能承受的最大浪涌电流，以及在这么大的浪涌电流下显现出来的一些特性变化。
由于电容电感等非线性器件的充放电，很多电子电路在工作中会产生浪涌电流，尤其是在电路开启的瞬间，而浪涌电流会对器件本身造成损伤，最终影响电路的正常工作，因此用户在进行电路设计选择器件之前，需要知道器件可承受的最大浪涌电流，并依此设计电路参数使器件尽可能工作在安全区域。
然而目前对于器件的浪涌性能参数并没有详细的数据进行参考，在制造商提供的数据手册(datasheet)中也没有提到器件的浪涌性能，这样就会对用户选型造成困扰。另一方面，用户对于提升器件的浪涌耐受性也有诉求，这就需要对器件在浪涌特性进行深入的研究。
   当前国内外研究现状   目前对于SiC MOSFET浪涌性能的研究较少，并且现有的一些研究主要集中于对SiC MOSFET和Si IGBT性能的比较，对于Si器件浪涌性能的一些研究也比较零散，没有形成体系。
2004年，Hillkrik 提出了一种 IR 技术来监测在浪涌电流冲击下器件表面温度随时间和空间的变化。大浪涌电流常伴随着高温的产生，这种新方法的提出对研究浪涌电流对半导体器件的影响提供了很大的帮助。
2008年，Levinshtein进行了更进一步的研究工作，分析了高压4H-SiC整流二极管单电流浪涌脉冲下的自发热。他提出了一种估算半导体内部自加热后的温度的方法，并在实际测试中发现：二极管多次流过略小于二极管最大承受浪涌电流值的电流，也会发生性能退化，甚至失效。这个现象的发现使器件失效的原因除了过热之后又增加了一个，即器件承受多次浪涌电流。
Levinshtein专门对浪涌电流进行了分类。将浪涌电流分为三类。
第一类是极短脉宽的浪涌。这种浪涌通常是微秒级别。由于浪涌脉宽太短，浪涌电流产生的热量来不及被散热器吸收，这种情况可以通过简单的计算获得芯片内部温度上升的情况。
第二类是无限长浪涌电流，指脉宽很大的电流。在研究范围内可以等效于直流进行研究。此时热斑效应是器件失效的主要原因，这种情况也比较容易分析。
最后一种情况，即脉宽在毫秒级别的浪涌。在浪涌发生的这段时间里，热量有足够的时间传导到散热器上面，只能通过解微分方程大致计算器件的内部情况。这种情况是最复杂的，当温度高于1000K时，所有关于热量的计算都只是推测，必须知道器件内部热传导的细节才能做出精准的预测。
2012年，Thomas Basler第一次测试了IGBT在栅压变化情况下的浪涌性能。分别测试了浪涌电流形状为梯形，以及浪涌电流为正弦波形情况下的浪涌性能，并对浪涌发生时IGBT内部导通情况提出了3种可能：1.浪涌电流到达峰值，IGBT导通。2.IGBT在浪涌发生前已经导通。3.IGBT接收到浪涌电流即导通。
也有研究者对SiC肖特基二极管的浪涌性能进行了研究。在这些研究中发现，器件通过足够多次数的浪涌电流后，即使通过的这些浪涌电流峰值小于器件能承受的最大浪涌电流，器件也会发生退化。
直到2016年，才有学者开始研究SiC MOSFET的浪涌性能，但研究只着眼于SiC MOSFET浪涌性能和其他器件浪涌性能的比较。
2016年，Sadik专门研究了SiC MOSFET的浪涌性能。他分别测试了几种SiC MOSFET在各种温度，脉冲宽度和栅压情况下的浪涌能力。通过采集数据并观察，得出了SiC MOSFET浪涌性能与温度的关系，研究了脉冲宽度对SiC MOSFET浪涌性能的影响，以及MOSFET导通与否对器件浪涌能力的的影响。他还测试了SiC MOSFET模块的浪涌性能，与单芯片SiC MOSFET的浪涌性能进行了比较。论文中提出了两个对浪涌失效机理的猜测，第一个是MOSFET内部寄生NPN的闩锁效应。第二个是高温使得MOSFET的源极金属融化。
同年，Carastro测试比较了SiC MOSFET，Si PIN二极管和SiC肖特基二极管在常温下的浪涌性能。收集了这三种器件的浪涌数据，对三者进行了比较，也对失效机理提出了猜测，认为高温导致的金属熔化是器件失效的主要原因。论文中还对这三种器件进行了一维热仿真，通过仿真结果来证实实际测试中得到的结果和猜测。
2018年开始，研究SiC MOSFET的浪涌性能的论文开始逐渐变多。
2018年，Shan Yin等人利用电容放电实验测试比较了SiC MOSFET和Si IGBT的浪涌能力。不过在文章中主要讨论了栅极驱动电路的设计，以及各种参数对电容充放电结果的影响，对于浪涌能力仅仅提出了一个结论，并没有进行深入的研究。
从2018年下半年到2019年，除了Shan Yin等人外，还有一些关于SiC MOSFET浪涌性能的论文发表，Xi Jiang,Patrick Hofstetter等人也纷纷将SiC MOSFET的浪涌性能和其他器件进行了比较。
除了研究浪涌性能外，Knoll等人测试了特定SiC MOSFET的整体性能。还有一些研究主要关注MOSFET和IGBT的各种性能参数，并没有对浪涌性能进行深入的研究。
除了对MOSFET浪涌性能的研究工作，还有与MOSFET浪涌保护相关的专利。国内的专利有魏晨光等人通过在MOSFET的漏极外加电压，隔离等操作的方法来改善浪涌性能，国外的专利有Robbins等人通过加旁路二极管的方法来改善浪涌能力。
纵观目前对SiC MOSFET浪涌性能的研究，主要局限于对SiC MOSFET所能承受的最大浪涌电流的研究上。包括将SiC MOSFET置于不同的环境下，观察SiC MOSFET所能承受的最大浪涌电流的变化；比较SiC MOSFET和其他器件所能承受的最大浪涌电流的不同等。目前并没有文章深入研究大浪涌电流对SiC MOSFET电气性能的影响和SiC MOSFET浪涌失效的具体机理。   浪涌测试原理概述   考虑到实际在使用SiC MOSFET时，一般会使用市电作为供电电源，而我国的市电为50Hz的交流电，因此，在本文的浪涌测试中选择 10ms 脉宽的正弦半波作为浪涌电流，如图2.6所示。为了分析SiC MOSFET的浪涌性能，需要对浪涌失效发生时的电流、电压和能量有一个总体把握。其中电流为外加控制源，由实验人员控制，可以直接得到。当 VgsVth时，沟道导通，但是当电流足够大时，体二极管占主导作用，此时也可视为体二极管导通。浪涌失效电流一般为大电流，因此电压可根据(2-1)得到𝑉0为体二极管的开启电压，由材料决定，对SiC来说，开启电压为 2.7V，R为 N-漂移区电阻，𝐼(𝑡)为浪涌电流，在本文中可为(2-2)𝑡ℎ𝑤为正弦脉冲的宽度，在本文中固定为 10ms，𝐼𝑚𝑎𝑥为浪涌电流峰值。根据(2-1)和(2-2)可以得到浪涌过程中产生的能量E。
浙江大学李焕在硕士论文中对SiC MOSFET的浪涌可靠性进行了一些研究，并对器件结构改进提出了一些意见：
(1)由于目前大多数商用SiC MOSFET的耐压为 1200V，因此只选择了耐压为1200V的器件进行测试比较。在未来的工作中可以选择更多不同耐压等级的SiC MOSFET 进行测试研究。
(2)由于条件所限，没有能力对SiC MOSFET进行流片，因此对SiC MOSFET结构的改进建议仅限于理论分析和仿真验证，没有进行实际的流片比较。在未来的工作中，如果条件允许，可以制作实际器件对一些方法进行验证。

浙江大学李焕的硕士论文首先选择了Rohm、Cree、ST和 Littlefuse四家公司的五款1200V SiC MOSFET器件进行对比研究，测试了这些器件在沟道导通和不导通情况下的浪涌特性，得到了不同情况下SiC MOSFET能承受的最大浪涌电流。
浪涌失效前后器件性能的变化主要表现为MOSFET栅源短路和体二极管性能发生改变。不同器件所能承受的最大浪涌电流约为额定电流的四到五倍。
有些器件在失效后体二极管还有反向阻断能力，而有些器件则表现为体二极管反向阻断能力消失。通过对每次浪涌实验之后器件的特性测试，发现没有累积性损伤。
之后对失效后的器件进行了解剖观察，仔细分析了坏点的损坏情况，得到了SiC MOSFET失效的主要原因。导致SiC MOSFET失效的主要原因是大浪涌电流导致的高温。高温导致源极金属Al发生融化，并与相邻的介质材料发生了反应。有些融化的Al甚至渗透到了器件内部，最终导致器件失效。
论文选用Silvaco公司的Atlas TCAD对浪涌电流通过SiC MOSFET的过程进行了仿真，研究了浪涌测试时器件内部电流分布、结温、载流子浓度的变化。仿真显示在流过大电流时，不论器件沟道导通与否，体二极管是主要的导电通道，验证了沟道导通与否对器件能承受的最大浪涌电流影响较小的实验结论。器件中的结温在通过大浪涌电流的时候高达900K，证实了高温导致铝熔化是器件失效的主要原因。
最后，基于分析得到的失效机理，从改善SiC MOSFET的自热效应和提高SiC MOSFET的耐高温性能两方面对器件的结构设计提出了一些改进建议，以提升SiC MOSFET的浪涌性能。并用器件仿真验证了这些建议的有效性。