SiC MOSFET体二极管双极性退化及电流密度影响的研究

标题：Investigation of the bipolar degradation of SiC MOSFET body diodes and the influence of current density (IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS))

摘要

摘要-双极退化在使用双极操作模式的4H-SiC器件中仍然是一个需要考虑的关键问题。在4H-SiC器件中，由于复合引起的堆垛故障（SFs）的产生和扩展会导致正向电压漂移，这在文献中已被广泛讨论。本研究中，对1.2 kV SiC MOSFET体二极管施加不同电流密度的应力，以调查晶体诱导的电压漂移（如由堆垛故障（SFs）引起的双极退化）、来自预存在的基面位错（BPDs）或转化点的扩展的影响。此外，由于高浪涌电流应力，不可避免地会发生热力学故障（栅氧化物损伤、正面金属化降解、焊线跟踪裂纹和剥离）。测量结果通过施加不同电流密度到SiC MOSFET的体二极管来展示退化的范围。

关键词- 4H-SiC，SiC MOSFET，体二极管，直流应力，重复浪涌电流应力，双极退化，晶体缺陷，堆垛故障，热力学故障

文章研究了什么

该文章研究了SiC MOSFET体二极管的双极退化及电流密度的影响。作者调查了4H-SiC器件中由复合引起的堆垛故障（SFs）的生成和扩展，这导致正向电压漂移。他们在不同电流密度下施加应力于1.2 kV SiC MOSFET体二极管，以了解由SFs、预先存在的基面位错（BPDs）或转化点引起的晶体诱导电压漂移的影响。此外，该文章还讨论了由于高浪涌电流应力而发生的热力学故障，例如栅氧化物损伤、正面金属化降解、焊线跟踪裂纹和剥离。测量结果通过将不同电流密度施加到SiC MOSFET的体二极管上，提供了关于退化范围的见解。

文章的创新点

• 该文章研究了电流密度对SiC MOSFET体二极管双极退化的影响，这是使用双极操作模式的4H-SiC器件中的一个关键问题。
• 作者探讨了在4H-SiC器件中由复合引起的堆垛故障（SFs）的生成和扩展，这导致了正向电压漂移。
• 文章讨论了使用浪涌电流脉冲作为堆垛故障生长的加速剂，允许更高的电流应力和增加双极退化的概率。
• 作者强调了在重复浪涌电流应力下，M1等不同制造商的体二极管的稳定性，即使在较大脉冲数的情况下。
• 文章强调，尽管存在堆垛故障，浪涌电流应力（更高的电流密度）最终会导致热力学故障。
• 作者提到，缺陷密度和关键转换点的密度因每个芯片而异，但在大多数情况下，堆垛故障引起的漂移不会影响不同制造商的体二极管在额定电流下的工作，除非存在明显的V_SD漂移或强烈的热力学故障影响。

文章的研究方法

• 该文章利用应力测试来研究SiC MOSFET体二极管的双极退化及电流密度的影响。
• 作者对SiC MOSFET的体二极管施加不同的电流密度，并测量所产生的退化情况。
• 使用浪涌电流脉冲作为堆垛故障生长的加速剂，允许更高的电流应力和增加双极退化的概率。
• 作者建立了自动化测试台架，进行重复浪涌电流应力测试，在浪涌电流事件之前和之后测量结温。
• 测量电流为10 mA，在测试器件上持续流动，每100个脉冲通道打开一次，以研究电压降和检查双极退化对MOSFET模式的影响。
• 文章还讨论了Vj（T）方法的使用，该方法事先校准了每个器件与体二极管的温度相关的正向电压降。
• 研究包括在体二极管导通期间少数载流子密度的分析，以及识别触发堆垛故障生长的关键转换点。

文章的结论

• 该文章得出结论，SiC MOSFET体二极管的双极退化受电流密度和堆垛故障生长的影响。
• 在额定电流密度下，在大多数情况下，没有观察到退化，但在极高电流下，双极退化的概率增加。
• 浪涌电流脉冲被用作堆垛故障生长的加速剂，导致退化。
• M1的体二极管在重复浪涌电流应力下表现出最稳定的行为，即使在较大的脉冲数下。
• 值得注意的是，尽管存在堆垛故障，浪涌电流应力最终会导致热力学故障。
• 文章强调由于器件的热限制，连续高电流应力是不可行的，额定电流密度下的直流应力几乎不会引起退化。
• 在额定工作条件下，三角形形状的堆垛故障和条状堆垛故障对体二极管的电压降影响不大。