《SiC MOSFET在實際應用柵極開關運行條件下的參數變化（AC BTI）》

多年來，英飛凌一直在進行超越標準質量認證方法的應用相關試驗，以期為最終應用確立可靠的安全運行極限。閾值電壓和導通電阻在實際應用運行條件下的漂移，是我們深入研究的一個“SiC特有”的重點問題。我們將SiC MOSFET在高頻率雙極柵極開關條件下和高溫下的應力稱之為“AC偏壓溫度不穩定性（BTI）試驗”。請注意，這一新的“AC BTI試驗”是對標準化的“DC BTI試驗”進行重要延伸后所得的結果，DC BTI試驗在前一章中已經討論過，通常用于進行Si和SiC MOSFET技術的質量認證。我們決定在SiC MOSFET的標準質量認證體系中加入這些新型的應力試驗是因為，事實表明，在特定的交流柵極應力條件下，參數漂移可能超過施加標準直流柵極應力后的典型值。這與DC BTI始終被視為“最壞情況”的Si技術是不同的。

為了增進對這一新的漂移現象的認識，也為了指導客戶在設計中如何避免可能危險的臨界運行條件，英飛凌已在2018年發布了一份描述AC BTI的基本特點的應用說明（AN），并闡述了它在典型的應用環境中可能造成的后果。2019年，我們根據最新的發現對該應用說明進行了完善和擴展。本章內容可以算作英飛凌的應用說明的補充資料，旨在更深入地了解AC BTI現象與其他因素的關系。

AC BTI建模

英飛凌在各種運行條件下開展了廣泛的試驗，以期建立一個半經驗的預測模型，用于描述閾值電壓（VTH）在典型的SiC MOSFET應用中的變化，這些變化跟應力施加時間（tS）、柵極偏壓下限（VGL）、柵極偏壓上限（VGH）、開關頻率（f）和運行溫度（T）等相關。

在高MOSFET開關頻率（比如500kHz）下測量閾值電壓是特別有挑戰的，因為它不僅要求電氣參數的分辨率高，還要求測量延時達到微秒級。為此，英飛凌已開發出定制的高端應力/試驗設備，可用于在AC柵極應力試驗期間進行快速的原位參數監測。

AC BTI的特點之一是，在我們研究過的所有器件中閾值電壓漂移都是正的。閾值電壓增大可降低MOS溝道過驅動電壓（VGH-VTH），從而使得器件的溝道電阻（Rch）變大。

在公式（2）中，L代表溝道長度，W代表溝道寬度，μn代表自由電子遷移率，Cox代表柵極氧化層電容，VGH代表柵極電壓上限，而VTH代表器件的閾值電壓。在高功率器件中，溝道電阻只是器件的總導通電阻的一個分量。

在公式（3）中，Rch代表溝道電阻，RJFET代表結型場效應晶體管（JFET）電阻，Repi代表漂移帶的外延層電阻，而RSub代表高摻雜SiC襯底的電阻。溝道電阻（?Rch）因為柵極過驅動電壓（?VTH）降低而增大，最終使得器件的總導通電阻（?RON）略微變大。總導通電阻增大可能導致靜態損耗更大，進而導致運行期間的結溫略微升高。為了防止在125°C下進行10年的連續開關操作期間，發生可能導致導通電阻出現潛在臨界漂移（>15%，在數據表的最大額定值中已經考慮）的運行條件，英飛凌的應用說明提供了指導圖表來說明推薦的柵極驅動電壓和頻率。這些指導圖表依據的是在深入研究和測量AC BTI的基本特點之后創建的退化模型。

AC BTI的基本特點

本段主要借助一系列實驗數據來揭示和闡明AC BTI的基本特點。漂移模型與數據進行擬合，以得到半經驗模型系數。所示的擬合曲線對應用于計算AN中柵極電壓指導圖表的漂移模型。

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與開關頻率（f）的關系

AC BTI取決于開關事件次數，且AC VTH漂移符合冪律：

因此，更恰當的做法是繪制AC漂移與開關次數的關系圖，而不是像DC BTI的典型做法一樣繪制漂移與應力施加時間的關系圖。在圖12中，我們比較了兩種不同的開關頻率。當開關次數相同時，所看到的漂移是相似（不是完全一樣）的，它與總應力施加時間無關。正是因為這個原因，相比在相對較低的開關頻率下運行的應用（比如驅動），在較高開關頻率下運行的應用（比如太陽能）更容易受到AC BTI的影響。此外，由于受影響的主要是靜態損耗，所以AC BTI漂移對應用中的總損耗的最終影響，取決于給定的導通損耗與開關損耗之比。在某個特定的應用中，如果開關損耗在總損耗中占據絕對比例，那么即使開關頻率更大，導通損耗的增加對于系統設計的影響也不大。

圖12.在加速的柵極電壓（VGH>18V；VGL<-5V）和溫度（TS>150°C）條件下測量的AC VTH漂移。記錄所用的總應力施加時間相同、但應力施加頻率（50和500kHz）不同時的數據。AC VTH漂移顯示出與開關次數成正比的冪律式增長。漂移模型用虛線表示。

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與柵極偏壓下限（VGL）的關系

AC BTI還有個特點是，它與柵極偏壓下限（VGL）的關系。事實上，如果SiC MOSFET長時間在在關斷狀態施加負柵極偏壓的模式下運行，AC BTI只會導致VTH漂移增大。如果器件是在VGL=0V時關斷的，則獲得的VTH漂移顯示出典型的DC BTI漂移行為，而不依賴于開關次數。在關斷狀態下較大的負柵極電壓可通過以下方式影響VTH漂移（參見圖13）：當開關次數較少時，VTH漂移因為弛豫效應而較少；但是，當開關次數較多時，VTH漂移通常因為負關態柵極電壓更高導致漂移斜率更大（冪律指數）而變大。

圖13.短時間內施加大量脈沖（f=500kHz）獲得的加速條件下，以及上限柵極電壓（VGH>+18V）和溫度（TS>150°C）條件下，測量的AC VTH漂移。記錄使用不同柵極電壓下限時的數據。當使用的柵極電壓下限高于-2.5V時（比如-1V），VTH漂移的幅度和斜率類似于或低于DC BTI。當施加更負的下限柵極電壓時（比如-5V），AC BTI在經過大量的開關周期后開始占據主導地位。這是由AC BTI的漂移斜率（冪律指數）變大導致的。漂移模型（虛線）與實測數據的吻合度非常好。

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與柵極偏壓上限（VGH）及溫度（T）的關系

AC BTI與通態柵極電壓（VGH）和運行溫度（T）的關系與DC BTI類似。如圖14和圖15所示，在較高的VGH等級和高溫下，VTH漂移值更大。但是，這并不一定意味著，這種運行條件對于應用而言更為關鍵。

當VGH等級較高時，可以觀察到BTI更大。但是，由于柵極驅動電壓變大，總導通電阻對VTH變化變得不那么敏感。因此，盡管VTH漂移變大，但RON在VGH值較大時的相對變化可能反倒變小。這使得相比15V的通態電壓，在18V的通態電壓下運行得到的曲線更為緩和。

高溫通常也可導致BTI變大。另外，在高溫下，JFET和漂移區（epi）電阻相對于溝道電阻變得更加明顯。因此，盡管VTH漂移變大，但RON在溫度更高時的相對變化可能同樣更小。

圖14.在加速頻率（f=500kHz）和溫度（TS>150°C）條件下測量的AC VTH漂移。記錄在典型的柵極電壓下限和不同的柵極電壓上限時的數據。施加較大的柵極電壓上限導致實測數據發生近似平行的漂移。漂移模型（虛線）與實測數據的吻合度非常好。

圖15.在加速頻率（f=500kHz）和柵極電壓上限（VGH>18V）條件下測量的AC VTH漂移。記錄在典型的柵極電壓下限和不同應力溫度下的數據。溫度較高時的應力導致實測數據發生平行漂移。漂移模型（虛線）符合實測數據的趨勢，但在本試驗中稍微高估了漂移的絕對值。

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漂移飽和

我們進行了近1年的開關頻率加速AC柵極應力實驗，以研究在典型應用開關條件下的長期AC BTI。在這些長期實驗中觀察到的漂移表明，在壽命終期實測的AC BTI漂移可能低于通過漂移模型預測的漂移，因為漂移效應已開始飽和。

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與負載電流的關系

為完成評估，在各種負載電流下進行了幾項實驗。所觀察到的VTH和RON漂移基本上符合AC BTI漂移模型，這表明負載電流本身并不會改變觀測到的漂移行為。但也發現，柵極信號過沖和下沖——在逆變器應用中很常見——可能影響AC BTI。這一點在英飛凌的第二版應用說明中已有說明，其中還就如何正確地評估和抑制應用中的過沖和下沖給出具體的指導。

原文標題：【跨年技術巨獻】SiC MOSFET在實際應用柵極開關運行條件下的參數變化（AC BTI）

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責任編輯：haq