何謂SiC-MOSFET-SiC-MOSFET的可靠性

本文就SiC-MOSFET的可靠性進行說明。這裡使用的僅僅是ROHMROHM罗门哈斯的SiC-MOSFET產品相對的資訊和資料。另外,包括MOSFET在內的SiC功率元件的研發與發展日新月異,如果有不明之處或希望確認現在的產品情況,請點擊這裡聯繫我們。

ROHMROHM罗门哈斯SiC-MOSFET的可靠性

閘極氧化膜

ROHMROHM罗门哈斯針對SiC上形成的閘極氧化膜,通過製程研發和元件結構最佳化,實現了與Si-MOSFET同等的可靠性。

閾值穩定性(閘極負偏壓)
反之,當閘極被長時間外加直流的負偏壓時,空穴被捕獲,閾值下降。在HTGB試驗中,負偏壓下的閾值變化程度大於正偏壓,在vg為-10 v以上時閾值下降超過0.5 v。

第二代MOSFET (SCT2 [xxx[]系列,SCH2xxx]系列)中,閘極負偏壓的保證電壓為6 v。請注意,當負偏壓大於6 v時閾值可能進一步降低。交流(正負)偏壓時,反復進行對陷阱的充放電,因此偏移的影響很小。

本體二極體的通電劣化
一般認為SiC-MOSFET存在稱為”本體二極體的通電劣化”的故障模式。這是正向電流持續流過MOSFET的本體二極體時,電子——空穴對的重新複合能量使稱為”疊層缺陷”的缺陷擴大,影響到電流路徑,使導通電阻和本體二極體的Vf上升的模式。

疊層缺陷使發熱量增加,在某些情況下還會引起耐壓性能下降,因此,在用於發生向本體二極體換流的應用(變流器,直流/直流轉換器等)時,有可能會導致問題。(※在、作为和MOSFET的第一象限工作中不會發生這類問題)

ROHMROHM罗门哈斯通過研發不會擴大疊層缺陷的獨特製程,成功地確保了本體二極體通電的可靠性。在1200 v 80Ω的第二代SiC MOSFET產品中,實施了對本體二極體進行1000小時的直8流通電測試,結果如下。試驗證明,所有特性如導通電阻,漏電流等都沒有變化。

短路耐受能力
由於SiC-MOSFET與Si-MOSFET相比具有更小的晶片面積和更高的電流密度,因此對於導致熱擊穿的短路的耐受能力往往比Si-MOSFET低.TO247封裝的1200 V級MOSFET中,Vdd = 700 V, vg = 18 V時的短路耐受時間約為8 ~ 10μs。隨著vg降低,飽和電流減小,所以耐受時間變長。另外,Vdd較低時發熱量也會減少,所以耐受時間會更長。

由於關斷SiC-MOSFET所需的時間非常短,所以當vg的斷路速度很快時,急劇的dI / dt可能會引發較大的突波電壓。請使用逐漸降低閘極電壓的軟關斷功能等,並在沒有過電壓的情況下關斷。

dV / dt破壞
Si-MOSFET存在一種由於dV / dt過高而通過電容cd流過暫態電流,寄生雙載子電晶體工作導致損壞的模式ROHMROHM.ROHM的SiC-MOSFET由於寄生雙載子電晶體的電流放大倍數hFE較低,因而不會發生電流放大,截至目前的調查中,即使在50 kv /µs左右的工作條件下,也未發生這種損壞模式。關於本體二極體快速恢復時的dV / dt,一般認為由於SiC-MOSFET的快速恢復電流非常小,快速恢復時的dI / dt很小,所以dV / dt也不會增加,不易發生這種損壞模式。

宇宙射線引起的中子耐受能力
在高原應用中,受宇宙射線影響,少數進入地面的中子或重離子有時會引發半導體器件的單粒子效應,這已成為需要解決的問題。在對SiC-MOSFET (n = 15)進行的白光中子照射試驗(能量:1 ~ 400伏,由大阪大學核子物理研究中心RCNP實施)中,在Vds = 1200 v(額定耐壓的100%)條件下實施1.45×109个中子/厘米2 / s的中子照射後,結果並未發生由於單粒子效應引發的故障。海拔0 m處的故障率為0.92,海拔高4000度處也僅為23.3,故障率比同等級Si-IGBT和Si-MOSFET低3 ~ 4個數量級。耐壓實力值更高,並具有足夠的餘量,從而可以在高原應用或多個使用的應用中,降低因宇宙射線引起的中子誘發故障的風險。

靜電擊穿耐受能力
SiC-MOSFET的優點是晶片尺寸可以比Si-MOSFET小了,但另一方面,靜電擊穿(ESD)耐受能力卻較低。因此,處理時需要採取充分的防靜電措施。

靜電對策舉例
・利用離子發生器除去人體,元件,作業環境中的靜電(推薦)
・利用腕帶,接地除去人體,作業環境中的靜電(元件帶電時無效,所以僅此對策還不夠)

各種可靠性試驗結果
以日本廣泛採用的JEITA(原“EIAJ”) ed - 4701作為用來評估半導體的測試方法,其可靠性試驗結果如下。從結果可以ROHMROHM看的出,罗门哈斯的SiC-MOSFET具有足夠的可靠性。