了解半导体器件的失效模式是创建筛选、鉴定和可靠性测试的关键，这些测试可以确保器件在数据表规定的范围内运行，并满足汽车和其他电源转换应用中日益严格的十亿分之一的失效率要求。在本文中，我们将讨论对碳化硅(SiC)MOSFET器件执行的栅极开关应力(GSS)测试。这些数据是在APEC 2024会议上由奥维耶多大学(西班牙)团队和onsemi(安森美)合作公布的。
多年来，SiC MOSFET的栅极氧化物可靠性人们热衷研究的课题。研究发现，氧化物/SiC界面会导致关键器件参数发生巨大变化，例如阈值电压(Vth)、导通电阻(RDS(on))和早期寿命失效。栅极氧化物工艺的改进(包括氮化)显著提高了栅极氧化物在标准可靠性和鉴定测试下的固有可靠性。其中一些测试来自硅器件，包括：
在直流偏置条件下，SiC MOSFET中的Vth漂移通常大于硅MOSFET中的Vth漂移。此外，许多努力都是为了在器件通常会切换的特定应用条件下测试这种漂移。这些开关瞬变可能导致栅源电压(VGS)的过冲/下冲，而这取决于多种因素，例如开启和关断转换速率、内部器件电容以及可能设计入的外部组件(例如栅极电阻)或寄生参数(例如键合线电感)。有人提出了GSS测试，其中栅极在器件的最高指定温度下经受重复的开关循环，其中VDS为0V。此测试现已成为JEDEC JEP195指南的一部分。
对GSS行为的研究表明：
图1：GSS测试下SiC MOSFET中的Vth偏移(来源：Gómez等人，2024年)
从测量角度来看，高频测试可确保在合理的时间范围内实现足够多的循环次数，同时仍能观察到GSS偏移。例如，500kHz开关可在1000小时内实现超过1e12个循环。在某些应用中，例如太阳能逆变器，这可能不足以模拟预期的20年使用寿命，但可以合理地进行推断。一旦将器件从应力炉中卸下，无恢复特性也使执行原位Vth测量变得更加容易。
由此产生的一个重要问题是，GSS测试是否准确反映了应用切换应力(ASS)下的压力。Gómez等人尝试使用图2中所示的测试来回答这个问题。ASS被配置为升压转换器，但其他类似的设置也可用于规范其他测试条件，尤其是栅极驱动。
图2：GSS(左)和ASS(右)的测试设置(来源：Gómez等人，2024年)
所用器件为额定电压为1200V的SiC MOSFET。测试所用的一些条件如下：
每隔一段时间进行一次原位Vth测量。图3显示了每种情况下观察到的偏移结果。
图3：GSS和ASS应力引起的Vth偏移(来源：Gómez等人，2024年)
受到ASS影响的DUT表现出更大的Vth偏移，升压转换器中使用的低侧和高侧DUT显示出类似的趋势。为了确定原因，作者检查了栅极开关波形并进行了仿真。导通波形如图4所示。虽然10%到90%的开关时间看起来相当，但ASS期间的最大dVGS/dt斜率更高，并表现出更多的振荡行为。
图4：GSS和ASS期间的栅极导通波形(来源：Gómez等人，2024年)
在这些测试过程中，电容充电和放电产生的内部瞬态电流分布在低于Vth的范围内有所不同，这可能是Vth偏移产生差异的原因。MOSFET的米勒栅漏电容(CGD)和输出电容(CDS)是VDS电压的函数。这在图5中进行了描述，其中还显示了这些电流。
图5：ASS(左)和GSS(右)期间具有内部电容的MOSFET原理图，而中心显示了CDS和CGD对VDS偏置的典型响应(来源：Gómez等人，2024年)
在GSS测试中，VDS为0V。从VDS开关瞬变中CGD路径电流的影响的基本推导中得出：
∆VGS=(1÷(1+(CGS÷CGD)))×∆VDS
这可以解释两次测量之间瞬态最大dVGS/dt的差异。实际上，进行GSS可靠性测试要简单得多，而改善最大dVGS/dt与ASS测试匹配的解决方案将能更好地预测应用中的净Vth偏移。当然，结果也高度依赖于外部组件，例如RG和电感路径。图6显示了RG对Vth偏移的影响的示例。
图6：栅极电阻对GSS Vth偏移的影响(来源：Gómez等人，2024年)
GSS测试是SiC MOSFET整体可靠性检查的重要组成部分。在最终应用中，Vth偏移会导致RDS(on)从较小的栅极过驱动中增加。在太阳能逆变器等应用中，部件的使用寿命可能超过1e13个开关周期，因此准确预测器件行为的这种变化对于确保整个系统的正常运行非常重要。将GSS栅极波形与实际ASS条件相匹配可以确保这一点。
(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Gate Stress Tests for SiC MOSFETs，由Ricardo Xie编译。)
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