淺談碳化硅壽命中的挑戰(zhàn)
引言
功率半導(dǎo)體作為電力電子行業(yè)的驅(qū)動(dòng)力之一，在過(guò)去幾十年里硅(Si)基半導(dǎo)體器件以其不斷優(yōu)化的技術(shù)和成本優(yōu)勢(shì)主導(dǎo)了整個(gè)電力電子行業(yè)，但它也正在接近其理論極限，難以滿足系統(tǒng)對(duì)高效率、高功率密度的需求。而當(dāng)下碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等寬禁帶半導(dǎo)體以其優(yōu)異的電學(xué)和熱學(xué)特性使得功率半導(dǎo)體器件的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)硅材料的限制。然而，目前寬禁帶半導(dǎo)體的市場(chǎng)滲透率還比較低，只有當(dāng)相應(yīng)的制造技術(shù)足夠成熟，成本具有競(jìng)爭(zhēng)力時(shí)，才會(huì)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。足夠的技術(shù)成熟度則意味著寬禁帶(Wide Bandgap, WBG)半導(dǎo)體器件還需要不斷改進(jìn)和優(yōu)化，今天我們就來(lái)聊聊碳化硅目前在可靠性和壽命方面有哪些主要的限制。
寬禁帶半導(dǎo)體概述
寬禁帶半導(dǎo)體，指的是價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能量偏差(帶隙)大，決定了電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶所需要的能量。更寬的帶隙允許器件能夠在更高的電壓、溫度和頻率下工作。下圖展示是目前較為熱門(mén)的寬禁帶半導(dǎo)體材料，碳化硅和氮化鎵相對(duì)于硅的特性對(duì)比。
首先寬禁帶半導(dǎo)體以其帶隙命名，其禁帶寬度為硅的3倍左右，意味著需要更大的能量來(lái)激發(fā)電子導(dǎo)電，這也解釋了為什么WBG材料的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是傳統(tǒng)硅材料的10倍。另外，禁帶寬度也關(guān)系到最大工作溫度，禁帶寬度越大意味著本征載流子濃度越低，從而寬禁帶半導(dǎo)體可以運(yùn)行在比硅基更高的溫度，因?yàn)楣β拾雽?dǎo)體保持其性能的運(yùn)行溫度的前提是其本征載流子濃度低于電離摻雜濃度。
我們從理論上評(píng)估半導(dǎo)體材料時(shí)常用到Baliga優(yōu)值(BFOM—Baliga’s Figure Of Merit)，我們可以通過(guò)它來(lái)理解碳化硅的優(yōu)勢(shì)。
WBG由于其優(yōu)越的BFOM，RDS(ON,sp)低于硅，在相同的芯片尺寸下，WBG功率器件的RDS(ON,sp)要小得多，從而導(dǎo)通損耗更低。對(duì)于給定擊穿電壓和RDS(ON)，WBG擁有比硅更小的芯片尺寸，可實(shí)現(xiàn)更小的結(jié)電容和柵極電荷，從而降低了開(kāi)關(guān)損耗。
碳化硅作為新一代的半導(dǎo)體材料，憑借其寬禁帶、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高熱導(dǎo)率等優(yōu)異的性能，使得電力電子系統(tǒng)能夠工作在更高電壓、更高頻率和更高功率密度。但相比于硅基器件，從碳化硅到碳化硅器件的整個(gè)生產(chǎn)工藝和技術(shù)還沒(méi)有達(dá)到硅那樣的成熟度，所以碳化硅的可靠性并沒(méi)有表現(xiàn)得很突出，壽命甚至比硅基的小。
碳化硅可靠性
經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，硅材料到器件的整個(gè)制造工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟和完善，而碳化硅在這期間只是保持著研究和探索，直到近十多年才開(kāi)始規(guī)模應(yīng)用。隨著碳化硅功率器件(主要集中在SiC MOSFET 和SBD)不斷進(jìn)入市場(chǎng)，應(yīng)用中在驗(yàn)證它優(yōu)異電學(xué)特性帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)時(shí)，對(duì)于其可靠性和壽命的考量也越來(lái)越重要，例如經(jīng)常被提及的閾值電壓漂移，短路魯棒性以及封裝技術(shù)等，這些因素使得碳化硅的可靠性受到了極大的挑戰(zhàn)。
與硅相比，碳化硅具有更高的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)以及其帶來(lái)的更高的耐壓和相同耐壓下更薄和更小的漂移區(qū)電阻，但是更高的臨界場(chǎng)強(qiáng)意味著碳化硅MOSFET的柵極氧化層面臨著更高的電場(chǎng)強(qiáng)度。由于SiO2/SiC的介電常數(shù)比值?s/?ox≈2.5，這意味著氧化層內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度約為碳化硅半導(dǎo)體中的2.5倍。SiO2的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度約為10MV/cm，但基于目前的技術(shù)，為了保證良好的可靠性，碳化硅MOSFET最大允許氧化物的正向偏置約為3.5~4.0MV/cm，負(fù)偏置約為1.5~2.0MV/cm。
關(guān)于柵極氧化物的可靠性，我們實(shí)際應(yīng)用中更為關(guān)注柵極閾值電壓漂移。由于制造工藝導(dǎo)致SiC/SiO2界面的界面態(tài)密度(Dit)比Si/SiO2界面高出了近2~3個(gè)數(shù)量級(jí)，由此引起的柵極閾值電壓不穩(wěn)定性嚴(yán)重影響了碳化硅的可靠性。
當(dāng)器件滿足設(shè)計(jì)需求時(shí)，我們更多關(guān)注的便是可靠性，其中對(duì)于柵極可靠性經(jīng)常通過(guò)高溫柵極偏置驗(yàn)證，在高溫環(huán)境(如175℃)下，對(duì)柵極施加特定的正柵極電壓，在沒(méi)有漏極電流的情況下存儲(chǔ)1000小時(shí)。在此類(lèi)“靜態(tài)”的柵極偏置測(cè)試中，正柵極電壓可以導(dǎo)致Vth正偏，相反，負(fù)柵極電壓會(huì)導(dǎo)致Vth向下偏移。通常，這樣的情況下閾值電壓偏移在幾百mV，這對(duì)于設(shè)計(jì)良好的柵極氧化層而言屬于正常范圍。然而，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用而言，HTGB并不能反映閾值電壓不穩(wěn)定性的實(shí)際情況，功率半導(dǎo)體器件在應(yīng)用中大多處于正柵極偏置和高結(jié)溫(Tj)的脈沖電流下，這種情況將會(huì)導(dǎo)致更大的Vth偏移，此處功率循環(huán)(PC)在評(píng)估模塊不同材料相關(guān)的失效機(jī)制同時(shí)也能夠更貼近實(shí)際工況地考量Vth偏移及其帶來(lái)的影響。
除了永久性的閾值電壓偏移，還發(fā)現(xiàn)在碳化硅MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程中Vgs,on和Vgs,off應(yīng)力下也會(huì)導(dǎo)致閾值電壓的偏移。Vth的遲滯是可以完全恢復(fù)的，與其關(guān)斷時(shí)的啟動(dòng)電壓也就是Vg,off有關(guān)，并隨著正柵極電壓的增加而略有增加，此外研究表明跟具體的器件結(jié)構(gòu)也有關(guān)系。
Vth的遲滯現(xiàn)象取決于界面態(tài)的充放電情況，當(dāng)Vg,off為負(fù)值時(shí)，器件處于積累狀態(tài)，供體陷阱捕獲空穴，Vg,off負(fù)得越多，捕獲空穴越多。當(dāng)器件從積累到耗盡，再變成反轉(zhuǎn)時(shí)，費(fèi)米能級(jí)快速穿過(guò)碳化硅帶隙，使得界面態(tài)進(jìn)入非穩(wěn)態(tài)，并發(fā)生供體陷阱的放電，導(dǎo)致Vth減小，Vg,off越小，Vth就越小。這將影響到碳化硅MOSFET的動(dòng)態(tài)性能，Vth的減小變相地加快了開(kāi)啟，降低了開(kāi)通損耗Eon；但同時(shí)也可能導(dǎo)致漏極電流的過(guò)調(diào)，從而增加開(kāi)關(guān)損耗，加速器件老化。并且也會(huì)導(dǎo)致短路時(shí)峰值電流的增加，加劇短路工況。
另外，對(duì)于多并聯(lián)的情況，由于Vth遲滯引起的不規(guī)則Vth減小將影響動(dòng)態(tài)均流，從而降低器件的可靠性和使用壽命。雖然是可以恢復(fù)的，但對(duì)于開(kāi)關(guān)速度更快的碳化硅而言，對(duì)于動(dòng)態(tài)特性的影響還是不容忽視的，實(shí)際中合理的選取Vg,off和設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)參數(shù)顯得尤為重要。
對(duì)于碳化硅MOSFET而言，另一個(gè)討論較多的便是短路耐受時(shí)間(SCWT)。傳統(tǒng)的硅基IGBT的耐受時(shí)間在10us左右，而碳化硅只有幾個(gè)微秒(如2~4us)，具體數(shù)值跟每家供應(yīng)商的設(shè)計(jì)相關(guān)。
碳化硅的比溝道電阻我們可以用以下式子[3]表示，
其中，Lch和Wch為溝道長(zhǎng)度和寬度，μch為溝道遷移率，Cox為氧化層比電容，Vgs為驅(qū)動(dòng)電壓，Vth為閾值電壓，W和S為MOSFET元胞寬度和間距。
可以看出，增加電子遷移率和優(yōu)化結(jié)構(gòu)可以達(dá)到降低溝道電阻的目的，但任何減小溝道電阻的措施都會(huì)相應(yīng)地導(dǎo)致飽和電流密度的成比例增大，飽和電流密度可以表示為，
從而影響到短路耐受時(shí)間tsc。短路耐受時(shí)間tsc我們可以表達(dá)為，
其中，是材料密度，Cp為比熱，Jd,sat為飽和電流密度，Ec為臨界電場(chǎng)，WJ為JFET區(qū)的寬度，S為單元間距，ΔTmax為最大可接受溫升，Vds為施加的漏源極電壓，VB為器件耐壓。
可以看出，短路耐受時(shí)間與臨界電場(chǎng)成反比，所以碳化硅往往比類(lèi)似等級(jí)的硅器件所能承受的短路電流短，而降低溝道電阻或進(jìn)一步縮短短路耐受時(shí)間，需要進(jìn)行權(quán)衡。較短的短路耐受時(shí)間對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)提出了更高的要求，同時(shí)能否在較短的短路時(shí)間內(nèi)保護(hù)住也成為碳化硅可靠性的一個(gè)重要話題。
半導(dǎo)體芯片、銅和陶瓷材料之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)在高溫下的巨大變化會(huì)引起顯著的熱應(yīng)力，限制著器件最高工作溫度和壽命，同時(shí)由于綁定線引入的雜散電感，影響著電路的穩(wěn)定性。隨著碳化硅種種優(yōu)異的性能，傳統(tǒng)基于硅基的封裝技術(shù)已無(wú)法很好地適應(yīng)其高速發(fā)展的步伐。
基于碳化硅的高臨界電場(chǎng)和低本征載流子濃度，碳化硅芯片工作在超過(guò)200℃的高溫下，同時(shí)碳化硅的芯片尺寸更小帶來(lái)了更大的熱應(yīng)力集中，傳統(tǒng)封裝的熱應(yīng)力幾乎不能滿足，需要引進(jìn)新的封裝技術(shù)，提高熱機(jī)械可靠性。目前我們可以嘗試采用不同材料的DCB或者AMB來(lái)提高碳化硅模塊的性能，如AlN，Si3N4等。
同時(shí)，碳化硅更高的開(kāi)關(guān)速度，對(duì)于雜散電感更為敏感，因此要求封裝中更低的雜散電感，需要引入新的芯片互連技術(shù)。如更改綁定線的材料，如銅綁定線，或者銅帶綁定；又如Semikron Danfoss推出的汽車(chē)級(jí)碳化硅模塊eMPack，采用柔性薄膜進(jìn)行芯片間的互聯(lián)。
另外，Semikron Danfoss在功率循環(huán)AN 21-001的壽命模型中提到了根據(jù)芯片厚度等引入的修正因子kthickness
對(duì)于耐壓小于1200V的IGBT此因子為1，對(duì)于1700V的IGBT為0.65，而由于碳化硅材料的楊氏模量（彈性模量）約為硅的3倍，考慮到這個(gè)因素，對(duì)于耐壓小于1200V的SiC此因子只有0.33。
所以，要想充分發(fā)揮碳化硅的性能，提高其可靠性和壽命，先進(jìn)的封裝技術(shù)是必不可少的，這也是目前大力發(fā)展的方向之一。
總結(jié)
碳化硅以其高臨界電場(chǎng)和高熱導(dǎo)率等優(yōu)勢(shì)給已經(jīng)接近物理極限的硅半導(dǎo)體帶來(lái)了延續(xù)，推動(dòng)著電力電子系統(tǒng)的發(fā)展，但碳化硅并不像硅那樣，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和多年的市場(chǎng)應(yīng)用，技術(shù)和成本都已經(jīng)相當(dāng)成熟。雖然碳化硅有著相當(dāng)優(yōu)異的物理特性和電學(xué)特性，但是生產(chǎn)工藝的成熟度還沒(méi)有達(dá)到和傳統(tǒng)硅一樣，就像上述柵極氧化層可靠性，短路魯棒性以及封裝等等依舊限制著碳化硅器件的可靠性和壽命。
相信隨著碳化硅生產(chǎn)工藝和外部配套的不斷發(fā)展，其可靠性和壽命將得到不斷地提升。
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