1.短路失效可靠性介紹

SiC MOSFET相比于硅基 IGBT具有更低的短路可靠性，主要表現為器件短路耐受時間更短以及短路引起的特性退化更為嚴重。

IGBT?數據手冊中明確指出，器件在一定應力條件下可以耐受10s 的短路時長。對于?SiC MOSFET?而言，一些研究學者對?Cree、ROHM、ST?等公司的?SiC MOSFET?產品進行單次短路實驗，均在8s?內觀察到了失效現象。由此可見，SiC MOSFET短路耐受時間短，在可靠性方面與IGBT 相比存在差距。

短路引起的?SiC MOSFET?電學參數的退化受到了電、熱、機械等多種應力的作用，其退化機理需要從外延結構、芯片封裝以及器件可靠性等多方面進行論證分析。由此可見，由于?SiC MOSFET 的短路特性退化具有退化參數多、退化程度大以及退化機理復雜等特點，使得其短路可靠性問題的研究變得更為困難。

2.短路失效的兩種典型現象

目前，已有很多學者從理論推演、實驗觀察、建模仿真及逆向分析等多個角度對其?退化失效現象進行了分析驗證。研究表明，SiC MOSFET 若發生短路并造成其失效，則可能出現兩種典型的失效現象：柵源極之間短路(G-S短路)和漏源極之間短路(D-S 短路)。 ? 短路故障通常分為以下3類： ? Type I?型短路：該短路類型是指?SiC MOSFET在導通前已處于短路回路中，器件開通即處于短路狀態，因此該故障類型也叫硬開關故障(hard switching fault，HSF)。

Type II型短路：SiC MOSFET處在導通狀態時，若負載端突然短路，造成不同橋臂間的兩支開關管出現短路，則將此類故障定義為?Type II 型短路故障，也稱為負載短路故障(fault under load，FUL)。

Type III 型短路：在電機驅動、變頻器等一些應用領域，SiC MOSFET 可能運行在第三象限，若此時負載端發生短路，則開關管?LS2 的運行狀態迅速由第三象限轉向第一象限。器件由低壓、逆向電流的工作狀態迅速轉變成高電壓、大電流的短路狀態。 ?

圖1 三種短路故障的特征對比

3.失效機理

目前,國內外學者對兩種模式下器件失效機理的探究已經從器件的表面封裝深入到芯片的元胞結構。其失效點主要分為：JFET 區柵氧層、內部寄生NPN晶體管、溝道區柵氧層、柵極上方氧化層， 如圖2所示。當①或②發生損壞時，造成器件發生D-S?短路失效模式；當③或④發生損壞時，器件發生?G-S 短路失效模式。 ?

圖2 平面柵 SiC MOSFET 半元胞結構及短路失效點

SiC MOSFET?短路失效的原因可能為高溫引起源極鋁熔化，產生的應力破壞了?SiCMOSFET?部分元胞中柵極上方氧化層甚至柵氧層的絕緣結構，導致器件出現不可控的短路失效。 ?

圖3 SiC MOSFET 失效分析

通過?TCAD?仿真觀察到了圖?2?中②區域空穴電流的增加，并且仿真觀察到與實驗結果相似的電流失控現象，如圖 4 所示，從而驗證了NPN晶體管導通現象存在的可能性。同時，該結論也可以解釋?D-S 短路失效中另外一種延遲失效現象。在此類失效模式下，器件在關斷后的延遲階段，電流并未降低到零，而是存在幾十A 的泄漏電流。隨后，短路積累的熱?量與寄生?NPN 晶體管導通產生的電流形成正反饋，導致器件無法正常關斷，進而引發熱失控。 ?

圖4 寄生 NPN 晶體管導通及空穴電流的產生

MOSFET 作為一種典型的場控型器件，在開通關斷瞬間，由于柵氧層等效電容的存在，器件的柵極會產生較大的充放電電流，而在開通關斷過程以外，柵極只會有一個極小的漏電流存在。

SiC MOSFET 在短路過程中由于受到柵極電場以及器件結溫的共同作用，使得柵氧層表面的電子隧穿效應以及熱電子發射效應增強，最終達到柵氧層的臨界擊穿值，致使柵氧層發生擊穿。

4.小結

SiC MOSFET 短路失效機理以及器件可靠性問題的研究，隨著應用的不斷深入會變得越來越迫切。對于多種失效機理存在的準確性與普遍性，仍需做進一步論證，還需進一步論證失效機制背后的深層次原因。

依據器件失效與退化機理的分析，會進一步指導器件工藝的優化、短路保護的設計以及可靠性的多維分析，這對器件的壽命而言是十分重要的，也是我們時刻要關注的焦點和突破點。

審核編輯：黃飛

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