碳化硅MOSFET器件过流可靠性研究

作     者：陈赣 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邓林峰;胡凡

授予年度：2023年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：SiC MOSFET HTGB 重复过流 阈值电压 可靠性 

摘      要：随着第三代宽禁带半导体迅速发展,碳化硅(SiC)基功率金属氧化物半导体场效应晶体管(power metal oxide semiconductor field effect transistors,MOSFET)由于其导通电阻小、开关速度快、功率损耗小、高温稳定性好等优点,被认为是最具前景的功率半导体器件之一。然而,高温、高压以及大电流等恶劣应用环境使得SiC MOSFET的可靠性面临严峻的挑战。在实际的变换器中,任何负载和母线电压的波动都可能使器件处于过流状态,因此器件受到过流应力是非常频繁和常见的。过流应力可能会导致SiC MOSFET过热,关键电气参数发生退化,甚至可能导致设备故障。然而,在以往的过流研究中,很少对过流过程中应力进行分析,因而过流应力下的限制因素和退化机制未得到充分的研究。针对以上问题,本文设计了新型重复过流实验平台,从以下几个方面展开了研究: 首先,本文分析了器件在过流工况下受应力情况,将应力分为开通过流应力、导通过流应力、关断过流应力以及栅极偏置应力。通过高温栅极偏置(high-temperature gate bias,HTGB)实验平台,对器件在运行状态下受到的栅极偏置应力进行解耦,研究发现随着温度升高,负栅偏增大,器件的阈值电压(VTH,threshold voltage)负漂就越大,器件退化就越严重,但是当器件栅压为VGS＿ON=15 V/VGS＿OFF=-5 V时,栅极偏置应力对器件的影响基本可以忽略不计,实现了栅极偏置应力的解耦。 随后本文在VGS＿ON=15V/VGS＿OFF=-5V的栅压下对器件进行了开通过流应力、导通过流应力、关断过流应力以及开通关断过流应力四种不同工况下的重复过流实验。实验结果发现,导通过流应力会导致器件VTH的正漂,猜想是导通过流应力导致负电荷注入栅氧化层与界面态陷阱电子被捕获,形成负电场,从而VTH正漂;而开通和关断过流应力将导致器件VTH负漂,这是因为在开通和关断阶段,正电荷的注入JFET区,导致VTH的负漂,并且由于关断阶段的结温更高,使得在关断阶段正电荷的注入比开通阶段更加剧烈,所以关断过流应力作用会比开通过流应力作用更大。 另外,本文通过改变温度、电压和导通时间进行对比实验,研究发现高温场会加速器件退化,温度越高,退化速度越快,因为在高温场下载流子运动速度加快,栅氧界面产生大量的陷阱导致电子被捕获,也加剧了开通阶段与关断阶段的正电荷注入。同时实验结果发现高电压和长导通时间会导致VTH负漂,当母线电压较高时,开通过程与关断过程受到更大的过流应力,导致开通和关断阶段更多的正电荷被注入到JFET区,导致VTH负漂。最后,本文对商用的平面栅SiC MOSFET和沟槽栅SiC MOSFET进行了重复过流实验,对其抗过流能力进行比较,研究发现,平面栅SiC MOSFET和沟槽栅SiC MOSFET有着相似的退化趋势,但是由于沟槽栅SiC MOSFET不存在JFET区,因此开通关断过流应力对其影响相对较小,所以温度和电压对于沟槽栅SiC MOSFET的影响要小于平面栅SiC MOSFET。