1200V SiC MOSFET的二极管可靠性研究

在 PCT 期间，当 DUT 开启时，由于电流从漏极流向源极，DUT 温度会升高(图 1a)。当 DUT 关闭时，通过从源极到漏极的感测电流测量体二极管压降。通过应用图 1b 中所示的 V SD -T 校准曲线，可以在知道体二极管压降的情况下估算结温 T J 。

(a) PCT 程序 - (b) VSD-T 校准曲线。

图 1：(a) PCT 程序 – (b) V SD -T 校准曲线

根据文献 [5]，在测量阶段应使用负栅极电压。通常情况下，感测电流小于 200 mA，这可以防止在温度测量阶段自热，也可以摆脱封装相关劣化的影响。

调查中使用的设备

为了完成对 PCT 相关体二极管可靠性的比较研究，选择了不同的商用 SiC MOSFET(见表 I)。将进行静态和动态表征以查询体二极管特性。 DUT 的关键参数。

表 I：DUT 的关键参数

在静态表征阶段，体二极管正向电压 V SD与 T J特性的关系是通过曲线跟踪器和带有气压热流的气候室确定的，施加负栅极电压 V GS = -5V。

对于静态 I D -V SD测量，将温度传感器放置在与 DUT 接触的位置以测量确切的外壳温度，该温度以 15°C 的间隔从 25°C 逐渐变化到 130°C。由于 MOSFET 的 V SD的反向压降与温度有关，并且在低电流 (200mA) 和高电流 (800mA) 下都表现出很强的线性，图 2 和图 3 表明该压降是TJ测量的良好候选者。 所有供应商在 200 mA 时的 VSD-T 曲线。

图 2：所有供应商在 200 mA 时的V SD -T 曲线 所有供应商的 VSD-T 曲线均为 800 mA。

图 3：所有供应商在 800 mA 时的V SD -T 曲线

为了测量开关参数和评估DUT的动态行为，使用了双脉冲测试方法。设置如图 4 所示。三个 IsoVu 探头用于使用平面分布式分流方法测量 V GS、V DS和 I DS 。 双脉冲测试装置。

图 4：双脉冲测试设置

通过该测试，可以测量反向恢复时间 (trr) 和峰值反向恢复电流 (Irrm) 等动态特性。这些参数是在限制带宽 200 MHz 时测得的，如图 5 所示。 开启时的 ID 波形。

图 5：开启时的I D波形

测试条件

为了检验 SiC MOSFET 在功率循环测试下的可靠性，对每个 DUT 的体二极管进行了压力测试。为防止亚阈值效应，保证MOS通道完全夹断，测试时采用了-5V的栅源电压。每个制造商的总共三个 DUT 在以下测试条件下测试约 50 小时：

I SD1 =200mA，外壳温度=130°C

I SD2 =800mA，外壳温度=130°C I SD3 =2A，外壳温度=130°C

图 6 显示了每次测试的结果。如图所示，来自不同制造商的 DUT 表现出不同的行为。正向压降 V SD在压力测试后有所增加，同时振荡也表现出轻微的偏移。

不同负载电流下的压力测试结果。

图6：不同负载电流下的压力测试结果

以上结果表明，在相同的测试条件下，平面SiC MOSFET体二极管的浪涌可靠性优于沟槽SiC MOSFET体二极管。

图7和图8分别为Rohm和Infineon DUT测试前后的V SD -T校准曲线。对于英飞凌的 DUT，在 2A 应力和 800mA 感应电流的情况下，Tj 差异可高达约 18°C，而在 200mA 应力和 200mA 感应电流的情况下，Tj 差异可低至约 3°C。对于 Rohm 的 DUT，只有 DUT3 的 V SD -T 曲线显示出明显的偏移，Tj 差异约为 10°C。由于这种影响，温度估计会产生错误的结果，从而提供不准确的寿命估计。 Rohm 的 DUT 在压力测试前后的 VSD-T 曲线。

图 7：Rohm 的 DUT 在压力测试前后的V SD -T 曲线 压力测试前后英飞凌 DUT 的 VSD-T 曲线。

图 8：压力测试前后英飞凌 DUT 的V SD -T 曲线

对 Rohm、Infineon 和 STMicroelectronics 的 DUT 进行了 2A 应力的双脉冲测试。根据图 6，这三个 DUT 在 2A 应力的情况下显示 VSD 显着增加。对于所有 DUT，反向恢复峰值和总反向恢复电荷在 2A 应力后显着降低。

低侧开关的导通电流波形如图 9 所示。很明显，在 2A 的压力下，所有 DUT 的反向恢复峰值和总体反向恢复电荷都低得多。 2A 压力测试前后体二极管的反向恢复。

图 9：2A 压力测试前后体二极管的反向恢复

结论

当 DUT 的体二极管开始退化时，电压降 V SD总是可以被认为是退化指示，因为它显示上升趋势。

但是，长期的压力和高温可能会导致 V SD -T 校准曲线上升。在体二极管正向应力测试下，对来自六家不同制造商的商用 1200 V SiC MOSFET(其中两家采用沟槽栅极结构，四种采用平面栅极结构)进行了检查。实验结果表明，随着 V SD的增加和反向恢复电流峰值的降低，双极退化。当应用于具有栅极沟槽结构的 DUT 时，效果似乎更明显。在相同的测试条件下，V SD -T 技术中平面 SiC MOSFET 的体二极管比沟槽 SiC MOSFET 更可靠。

审核编辑：汤梓红