為什么要進(jìn)行浪涌測試？

    SiC器件雖然擁有諸多優(yōu)勢，但是由于SiC MOSFET柵氧工藝的局限性，其可靠性存在不少問題。

    如果要實(shí)現(xiàn)SiC MOSFET的廣泛應(yīng)用，可靠性問題是必須要解決的一個問題。其中，浪涌可靠性是器件可靠性指標(biāo)的一種，是指MOSFET承受浪涌電流的能力。浪涌電流是指電源接通瞬間或是在電路出現(xiàn)異常情況下產(chǎn)生的遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)電流的峰值電流或過載電流。

    在電子設(shè)計(jì)中，浪涌主要指的是電源剛開通的那一瞬息產(chǎn)生的可能高于電源本身的強(qiáng)力脈沖；也指由于電源或電路中其它部分受到的本身或外來的尖脈沖干擾。電路很可能在浪涌的一瞬間燒壞，發(fā)生 PN 結(jié)電容擊穿，電阻燒斷等等。浪涌的應(yīng)力主要是由器件內(nèi)部的體二極管來承受，所以浪涌測試的目的就是測試二極管所能承受的大浪涌電流，以及在這么大的浪涌電流下顯現(xiàn)出來的一些特性變化。

    由于電容電感等非線性器件的充放電，很多電子電路在工作中會產(chǎn)生浪涌電流，尤其是在電路開啟的瞬間，而浪涌電流會對器件本身造成損傷，影響電路的正常工作，因此用戶在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)選擇器件之前，需要知道器件可承受的大浪涌電流，并依此設(shè)計(jì)電路參數(shù)使器件盡可能工作在安全區(qū)域。

    然而目前對于器件的浪涌性能參數(shù)并沒有詳細(xì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行參考，在制造商提供的數(shù)據(jù)手冊(datasheet)中也沒有提到器件的浪涌性能，這樣就會對用戶選型造成困擾。另一方面，用戶對于提升器件的浪涌耐受性也有訴求，這就需要對器件在浪涌特性進(jìn)行深入的研究。

 當(dāng)前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀  

   目前對于SiC MOSFET浪涌性能的研究較少，并且現(xiàn)有的一些研究主要集中于對SiC MOSFET和Si IGBT性能的比較，對于Si器件浪涌性能的一些研究也比較零散，沒有形成體系。

    2004年，Hillkrik 提出了一種 IR 技術(shù)來監(jiān)測在浪涌電流沖擊下器件表面溫度隨時間和空間的變化。大浪涌電流常伴隨著高溫的產(chǎn)生，這種新方法的提出對研究浪涌電流對半導(dǎo)體器件的影響提供了很大的幫助。

    2008年，Levinshtein進(jìn)行了更進(jìn)一步的研究工作，分析了高壓4H-SiC整流二極管單電流浪涌脈沖下的自發(fā)熱。他提出了一種估算半導(dǎo)體內(nèi)部自加熱后的溫度的方法，并在實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)：二極管多次流過略小于二極管大承受浪涌電流值的電流，也會發(fā)生性能退化，甚至失效。這個現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)使器件失效的原因除了過熱之后又增加了一個，即器件承受多次浪涌電流。

    Levinshtein專門對浪涌電流進(jìn)行了分類。將浪涌電流分為三類。

   一類是極短脈寬的浪涌。這種浪涌通常是微秒級別。由于浪涌脈寬太短，浪涌電流產(chǎn)生的熱量來不及被散熱器吸收，這種情況可以通過簡單的計(jì)算獲得芯片內(nèi)部溫度上升的情況。

    第二類是無限長浪涌電流，指脈寬很大的電流。在研究范圍內(nèi)可以等效于直流進(jìn)行研究。此時熱斑效應(yīng)是器件失效的主要原因，這種情況也比較容易分析。

   一種情況，即脈寬在毫秒級別的浪涌。在浪涌發(fā)生的這段時間里，熱量有足夠的時間傳導(dǎo)到散熱器上面，只能通過解微分方程大致計(jì)算器件的內(nèi)部情況。這種情況是復(fù)雜的，當(dāng)溫度高于1000K時，所有關(guān)于熱量的計(jì)算都只是推測，必須知道器件內(nèi)部熱傳導(dǎo)的細(xì)節(jié)才能做出精準(zhǔn)的預(yù)測。

    2012年，Thomas Basler一次測試了IGBT在柵壓變化情況下的浪涌性能。分別測試了浪涌電流形狀為梯形，以及浪涌電流為正弦波形情況下的浪涌性能，并對浪涌發(fā)生時IGBT內(nèi)部導(dǎo)通情況提出了3種可能：1.浪涌電流到達(dá)峰值，IGBT導(dǎo)通。2.IGBT在浪涌發(fā)生前已經(jīng)導(dǎo)通。3.IGBT接收到浪涌電流即導(dǎo)通。

    也有研究者對SiC肖特基二極管的浪涌性能進(jìn)行了研究。在這些研究中發(fā)現(xiàn)，器件通過足夠多次數(shù)的浪涌電流后，即使通過的這些浪涌電流峰值小于器件能承受的浪涌電流，器件也會發(fā)生退化。

     直到2016年，才有學(xué)者開始研究SiC MOSFET的浪涌性能，但研究只著眼于SiC MOSFET浪涌性能和其他器件浪涌性能的比較。

    2016年，Sadik專門研究了SiC MOSFET的浪涌性能。他分別測試了幾種SiC MOSFET在各種溫度，脈沖寬度和柵壓情況下的浪涌能力。通過采集數(shù)據(jù)并觀察，得出了SiC MOSFET浪涌性能與溫度的關(guān)系，研究了脈沖寬度對SiC MOSFET浪涌性能的影響，以及MOSFET導(dǎo)通與否對器件浪涌能力的的影響。他還測試了SiC MOSFET模塊的浪涌性能，與單芯片SiC MOSFET的浪涌性能進(jìn)行了比較。論文中提出了兩個對浪涌失效機(jī)理的猜測，一個是MOSFET內(nèi)部寄生NPN的閂鎖效應(yīng)。第二個是高溫使得MOSFET的源極金屬融化。

    同年，Carastro測試比較了SiC MOSFET，Si PIN二極管和SiC肖特基二極管在常溫下的浪涌性能。收集了這三種器件的浪涌數(shù)據(jù)，對三者進(jìn)行了比較，也對失效機(jī)理提出了猜測，認(rèn)為高溫導(dǎo)致的金屬熔化是器件失效的主要原因。論文中還對這三種器件進(jìn)行了一維熱仿真，通過仿真結(jié)果來證實(shí)實(shí)際測試中得到的結(jié)果和猜測。

    2018年開始，研究SiC MOSFET的浪涌性能的論文開始逐漸變多。

    2018年，Shan Yin等人利用電容放電實(shí)驗(yàn)測試比較了SiC MOSFET和Si IGBT的浪涌能力。不過在文章中主要討論了柵極驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)，以及各種參數(shù)對電容充放電結(jié)果的影響，對于浪涌能力僅僅提出了一個結(jié)論，并沒有進(jìn)行深入的研究。

    從2018年下半年到2019年，除了Shan Yin等人外，還有一些關(guān)于SiC MOSFET浪涌性能的論文發(fā)表，Xi Jiang,Patrick Hofstetter等人也紛紛將SiC MOSFET的浪涌性能和其他器件進(jìn)行了比較。

    除了研究浪涌性能外，Knoll等人測試了特定SiC MOSFET的整體性能。還有一些研究主要關(guān)注MOSFET和IGBT的各種性能參數(shù)，并沒有對浪涌性能進(jìn)行深入的研究。

    除了對MOSFET浪涌性能的研究工作，還有與MOSFET浪涌保護(hù)相關(guān)的zhuanli。國內(nèi)的zhuanli有魏晨光等人通過在MOSFET的漏極外加電壓，隔離等操作的方法來改善浪涌性能，國外的zhuanli有Robbins等人通過加旁路二極管的方法來改善浪涌能力。

    縱觀目前對SiC MOSFET浪涌性能的研究，主要局限于對SiC MOSFET所能承受的大浪涌電流的研究上。包括將SiC MOSFET置于不同的環(huán)境下，觀察SiC MOSFET所能承受的大浪涌電流的變化；比較SiC MOSFET和其他器件所能承受的大浪涌電流的不同等。目前并沒有文章深入研究大浪涌電流對SiC MOSFET電氣性能的影響和SiC MOSFET浪涌失效的具體機(jī)理。

浪涌測試原理概述  

  考慮到實(shí)際在使用SiC MOSFET時，一般會使用市電作為供電電源，而我國的市電為50Hz的交流電，因此，在本文的浪涌測試中選擇 10ms 脈寬的正弦半波作為浪涌電流，如圖2.6所示。

     為了分析SiC MOSFET的浪涌性能，需要對浪涌失效發(fā)生時的電流、電壓和能量有一個總體把握。其中電流為外加控制源，由實(shí)驗(yàn)人員控制，可以直接得到。當(dāng) VgsVth時，溝道導(dǎo)通，但是當(dāng)電流足夠大時，體二極管占主導(dǎo)作用，此時也可視為體二極管導(dǎo)通。浪涌失效電流一般為大電流，因此電壓可根據(jù)(2-1)得到

      為體二極管的開啟電壓，由材料決定，對SiC來說，開啟電壓為 2.7V，R為 N-漂移區(qū)電阻，為浪涌電流，在本文中可為(2-2)                    

     為正弦脈沖的寬度，在本文中固定為 10ms，為浪涌電流峰值。根據(jù)(2-1)和(2-2)可以得到浪涌過程中產(chǎn)生的能量E。          

    浙江大學(xué)李煥在碩士論文中對SiC MOSFET的浪涌可靠性進(jìn)行了一些研究，并對器件結(jié)構(gòu)改進(jìn)提出了一些意見：

    (1)由于目前大多數(shù)商用SiC MOSFET的耐壓為 1200V，因此只選擇了耐壓為1200V的器件進(jìn)行測試比較。在未來的工作中可以選擇更多不同耐壓等級的SiC MOSFET 進(jìn)行測試研究。

   (2)由于條件所限，沒有能力對SiC MOSFET進(jìn)行流片，因此對SiC MOSFET結(jié)構(gòu)的改進(jìn)建議僅限于理論分析和仿真驗(yàn)證，沒有進(jìn)行實(shí)際的流片比較。在未來的工作中，如果條件允許，可以制作實(shí)際器件對一些方法進(jìn)行驗(yàn)證。

    浙江大學(xué)李煥的碩士論文先選擇了Rohm、Cree、ST和 Littlefuse四家公司的五款1200V SiC MOSFET器件進(jìn)行對比研究，測試了這些器件在溝道導(dǎo)通和不導(dǎo)通情況下的浪涌特性，得到了不同情況下SiC MOSFET能承受的大浪涌電流。

    浪涌失效前后器件性能的變化主要表現(xiàn)為MOSFET柵源短路和體二極管性能發(fā)生改變。不同器件所能承受的大浪涌電流約為額定電流的四到五倍。

    有些器件在失效后體二極管還有反向阻斷能力，而有些器件則表現(xiàn)為體二極管反向阻斷能力消失。通過對每次浪涌實(shí)驗(yàn)之后器件的特性測試，發(fā)現(xiàn)沒有累積性損傷。

    之后對失效后的器件進(jìn)行了解剖觀察，仔細(xì)分析了壞點(diǎn)的損壞情況，得到了SiC MOSFET失效的主要原因。導(dǎo)致SiC MOSFET失效的主要原因是大浪涌電流導(dǎo)致的高溫。高溫導(dǎo)致源極金屬Al發(fā)生融化，并與相鄰的介質(zhì)材料發(fā)生了反應(yīng)。有些融化的Al甚至滲透到了器件內(nèi)部，導(dǎo)致器件失效。

     論文選用Silvaco公司的Atlas TCAD對浪涌電流通過SiC MOSFET的過程進(jìn)行了仿真，研究了浪涌測試時器件內(nèi)部電流分布、結(jié)溫、載流子濃度的變化。仿真顯示在流過大電流時，不論器件溝道導(dǎo)通與否，體二極管是主要的導(dǎo)電通道，驗(yàn)證了溝道導(dǎo)通與否對器件能承受的大浪涌電流影響較小的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。器件中的結(jié)溫在通過大浪涌電流的時候高達(dá)900K，證實(shí)了高溫導(dǎo)致鋁熔化是器件失效的主要原因。

    基于分析得到的失效機(jī)理，從改善SiC MOSFET的自熱效應(yīng)和提高SiC MOSFET的耐高溫性能兩方面對器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了一些改進(jìn)建議，以提升SiC MOSFET的浪涌性能。并用器件仿真驗(yàn)證了這些建議的有效性。