实验研究：任务剖面相关非单调应力下SiC MOSFET栅极开关不稳定性

《IEEE Journal of Electromagnetics, RF and Microwaves in Medicine and Biology》：Experimental Investigation of Gate-Switching Instability in SiC MOSFETs Under Mission-Profile-Related Non-Monotonic Stress

　　

摘要：在高功率密度和高效率的电力电子系统中，碳化硅（SiC）MOSFET因其优越的性能而得到越来越广泛的应用。然而，其栅极氧化物/半导体界面仍然面临挑战，并且会出现额外的退化机制，例如栅极开关不稳定性（GSI）。大量的单调应力研究表明，负栅源电压峰值主导了与GSI相关的退化，即使这些峰值仅出现在欠冲期间也是如此。因此，退化取决于任务剖面，因为栅极电压欠冲随栅极电阻、栅极回路电感和漏极电流的变化而变化。然而，由此产生的非单调GSI相关退化尚未得到深入研究。本项研究（letter）表明，考虑栅极欠冲对于估算器件寿命期间的退化至关重要，因为先前存在的退化水平强烈影响进一步的退化。该行为同时适用于GSI相关缺陷的激活和去激活。此外，缺陷去激活高度依赖于正栅源电压，并且在应力改变后，即使在2?10¹¹次开关周期内，600 mV的退化也能恢复到在相同栅源电压下单调应力所获得的退化水平。另外，GSI相关缺陷的激活强烈依赖于退化水平，因此，即使任务剖面中仅5%的时间出现与任务剖面相关的栅极电压欠冲，也必须予以考虑。

**论文解读：任务剖面相关非单调应力下SiC MOSFET栅极开关不稳定的实验研究**

**一、研究背景与问题**

碳化硅（SiC）MOSFET凭借其优越的材料特性，在高功率密度、高效率的电力电子系统中已成为首选器件，应用范围涵盖电动汽车（EV）、工业驱动和光伏（PV）逆变器等领域。随着开关频率（f_sw）的不断提高和运行时间的延长，器件在负栅源电压（V_gs-）与正栅源电压（V_gs+）之间切换的次数（n_cycles）急剧增加。这种切换触发了一种称为栅极开关不稳定性（GSI）的可靠性现象，其典型特征为阈值电压（V_th）随开关周期数增加而退化，从而同时增加开关损耗和导通损耗。

以往大量研究表明，GSI相关退化主要取决于V_gs-，同时上升和下降时间（t_rise,fall）以及漏源电压（V_ds）也会产生影响。其中，负栅极电压峰值（V_gs-,peak）由栅极电压欠冲引起，即使欠冲持续时间短于5 ns且占空比小于1%，仍然主导退化过程，这表明缺陷激活具有极短的时间常数。然而，在实际应用中，V_gs-,peak的范围可能很宽，这源于电路和模块布局中的寄生栅极回路电感（L_g）和栅极电阻（R_g）。虽然减小R_g可降低开关损耗，但会增加V_gs-,peak的绝对值，且该峰值还与漏极电流（I_ds）相关，因而具有任务剖面依赖性。目前，这种任务剖面相关的非单调应力对退化的影响尚未得到深入研究。

**二、关键技术方法**

研究人员采用了一套能够在高达40 MHz频率下对SiC MOSFET施加栅极开关应力（GSS）的测试平台，并使用符合标准的等温V_th测量方法，在每十倍n_cycles次数下进行50 ms的V_gs+和V_gs-预处理。研究中利用双脉冲测试（DPT）提取了光伏和电动汽车两种典型应用任务剖面下的栅极电压欠冲分布，测试使用了TO-247封装夹具，其L_g为25 nH，R_g为5 Ω，V_ds为800 V，被测器件为75 mΩ/1200 V SiC MOSFET。全球统一轻型车辆测试程序（WLTP）数据显示，80%的开关周期处于部分负载和轻负载工况而无欠冲发生。

**三、研究结果**

**非单调V_gs-应力下的退化行为：**通过对四只SiC沟槽栅MOSFET在V_gs+为18 V条件下的对比实验发现，当从?5 V切换到?7 V时，幂律指数b大于单调?7 V应力下的值，退化趋近于单调应力曲线；而从?7 V切换回?5 V后，退化指数b显著低于单调?5 V测量值。最终切换后，非单调应力曲线需要超过4?10¹²次周期才能趋近对应的单调应力曲线，在?5 V、2?10¹²次周期后仍存在约150 mV的残余偏移。这表明即使任务剖面中仅10%的周期存在欠冲，也会主导实际应用中的退化。

**非单调V_gs+应力下的退化行为：**采用类似的交替方式改变V_gs+，观察到相同的趋势。在10¹²次周期附近，单调23 V应力通过缺陷去激活达到较低ΔV_th水平的速度明显快于单调和交替15 V应力条件。这表明缺陷激活和去激活持续发生，且GSI相关缺陷的去激活时间常数短于在未达到饱和水平时额外缺陷生成的时间常数。

**高应力电压下的缺陷动力学：**在26/?14 V和15/?14 V的更高应力电压条件下，单调26 V应力显示出早期饱和与反转现象，随后出现第二个较浅的斜率。交替应力器件在首次从26 V切换到15 V后，表现出与单调应力相同ΔV_th水平下更高n_cycles处相同的斜率。当V_gs+从15 V切换到26 V时，观察到具有10¹¹次周期特征“时间常数”的指数级ΔV_th降低，直至达到单调应力水平。该过程可重复多次，并且ΔV_th的降低总能回到与单调应力条件相同的水平，表明高V_gs+下第二斜率对应的缺陷相关机制在15 V时同样被激活。

**四、结论与意义**

研究发现，仅凭栅极驱动器的设定V_gs-值不足以预测退化结果，实际相关的应力参数为V_gs-,peak，其强烈依赖于R_g、L_g以及任务剖面相关的I_ds。GSI相关缺陷的激活强烈依赖于先前存在的ΔV_th水平，这说明GSI退化受陷阱态动力学支配而非线性累积损伤。缺陷去激活随V_gs+增加而增强，可在2?10¹¹次周期内将额外退化降至单调应力水平。该研究发表于《IEEE Journal of Electromagnetics, RF and Microwaves in Medicine and Biology》，其重要意义在于揭示了任务剖面相关的栅极欠冲即使在运行时间中仅占10%，也必须纳入GSI退化模型中，以实现对器件寿命期间退化的准确估计。