Повышение надежности высокоэффективных SiC MOSFET

Чтобы удовлетворить требования к эффективности SiC MOSFET, при проектировании необходимо уделить особое внимание обеспечению надежности, а также точно выбрать толщину оксидного слоя затвора.Тщательное тестирование должно подтвердить соответствие приложения заданным параметрам.

Рис. 1. Расположение критических элементов прибора с учетом механического напряжения, создаваемого электрическим полем высокой напряженности в оксидном слое затвора

Известно, что свойства материалов с широкой запрещенной зоной, к которым относится и карбид кремния (SiC), позволяют улучшить рабочие характеристики по сравнению с изделиями на основе кремния (Si). Чтобы обеспечить сопоставимую или даже более высокую надежность кремниевых приборов, требуются инновационные конструкции, тщательные испытания и анализ рабочих характеристик.

Преимущество SiC-приборов в импульсных источниках питания во многом определяется свойствами материала. в 10 раз более высокая диэлектрическая прочность в сравнении с кремниевыми аналогами позволяет создавать быстрые униполярные высоковольтные устройства с малым удельным сопротивлением открытого канала R_DS(ON). это преимущество обеспечивает более высокую удельную мощность и упрощает способы охлаждения при проектировании источников питания и других импульсных преобразователей.

Однако при разработке высоконадежных устройств следует учитывать различия в физических свойствах силовых полупроводников на основе разных материалов. в частности, из-за дефектов на границе раздела между SiC и материалом подложки SiO₂ уменьшается подвижность носителей в канале. Чтобы компенсировать этот недостаток, напряженность электрического поля во включенном состоянии, особенно у планарных SiC MOSFET, больше, чем у Si MOSFET (4-5 МВ/см по сравнению с 3 МВ/см, соответственно).

Поле достаточно высокой напряженности во включенном состоянии транзистора оказывает воздействие на оксидный слой. У современных приборов SiC MOSFET - гораздо более высокая плотность дефектов на плоской границе раздела, чем обычно наблюдается у кремниевых аналогов.

В результате использования планарной конструкции ячейки MOSFET во включенном состоянии возникает механическое напряжение в двух участках прибора - между затвором и истоком по упомянутой выше причине, а также в месте перекрытия стока затвором в режиме блокировки. Чтобы свести к минимуму это напряжение, компания Infineon реализовала trench-структуру ячейки в своих SiC MOSFET (см. рис. 1), благодаря которой это механическое воздействие локализуется, в основном, в углах канавки при обратном смещении.

Во включенном состоянии не требуются поля очень высокой напряженности, поскольку плотность дефектов намного ниже при наклоне грани кристалла в 90°. В trench-ячейке (см. рис. 2) электрическое поле оксидного слоя затвора ограничено не только во включенном, но и в выключенном состоянии, благодаря чему обеспечивается требуемое сопротивление открытого канала. Кроме того, соблюдаются необходимые требования к эффективности и надежности прибора.

Низкое сопротивление открытого канала достигается при управляющем напряжении V_GS = 15 В и типичном пороговом напряжении затвор-исток 4,5 В,

что является эталонным значением для SiC-транзисторов. На рисунке 3 показаны выходные характеристики 1200-В SiC Trench MOSFET компании Infineon при комнатной и высокой температурах, а также зависимость сопротивления открытого канала от температуры.

Корпуса - ключ к реализации преимуществ sic-приборов

За обеспечение требуемых коммутационных характеристик целевых приложений, конечно же, отвечают MOSFET. В этом отношении емкость является основной характеристикой SiC MOSFET, которая влияет на коммутационную способность и коммутационные потери. конструкция корпуса играет важную роль в минимизации этих потерь, которые, в основном, возникают при включении. Предпочтительно в таких приложениях использовать схему кельвина, которая разделяет токи в цепях нагрузки и в цепи управления затвором. в итоге, предотвращается обратная связь, индуцированная изменением тока di/dt, которая может увеличить динамические потери

Рис. 2. Структура ячейки CoolSiC MOSFET

Тепловые характеристики также являются важным критерием при выборе корпуса. Абсолютные потери SiC-приборов обычно меньше. эти потери происходят, главным образом, на небольших участках кристалла. небольшая паразитная индуктивность помогает управлять быстрыми изменениями di/dt и минимизировать критические пики напряжения.

Кроме того, необходимы конструкции, поддерживающие симметричное расположение кристаллов, особенно в случае многокристальных корпусов с параллельно установленными чипами. этим требованиям отвечает корпус типа TO-247-4, который является приемлемым решением для дискретного устройства и модуля, например для платформы EASY компании Infineon.

Роль тестирования в сокращении числа отказов

С целью оптимизации конструкции SiC Trench MOSFET со структурой ячеек, которая снижает механическое напряжение оксидного слоя, компания Infineon проверила надежность и прочность этих приборов для обеспечения максимальной надежности в полевых условиях. Прочность - устойчивость прибора к очень большим нагрузкам, возникающим при коротких замыканиях или протекании импульсных токов. Надежность характеризует стабильность работы устройства в течение определенного срока службы. Обычно этот показатель определяется как количество допустимых отказов за установленный период времени (FIT).

На надежность влияют два фактора: воздействие космического излучения и стабильность оксидного слоя затвора; при этом эффективное значение показателя FIT определяется как сумма двух этих факторов (см. рис. 4). Воздействие космического излучения характеризуется так же, как и в случае кремниевых приборов: с помощью экспериментальных исследований устанавливается требуемое значение показателя. Это общепризнанная практика, позволяющая оптимизировать распределение электрического поля в дрейфовой зоне устройства.

Низкие значения показателя FIT оксидного слоя затвора SiC-приборов достигаются путем отбора годных изделий при контроле их качества на производстве. Цель такой проверки - уменьшить количество приборов, подверженных внешним дефектам, до значения не более 10 ppm. Отбор по электрическим параметрам - типичная методология испытаний на производстве.

Рис. 4. Показатель FIT определяется стабильностью оксидного слоя затвора и интенсивностью космического излучения

Рис. 5. Оценка интенсивности отказов во включенном состоянии в разных условиях испытаний

Рис. 3. Выходные характеристики 1200-В CoolSiC MOSFET

Компания Infineon использовала ускоренные стресс-тесты оксидного слоя затвора для оценки надежности SiC MOSFET во включенном состоянии в течение 100 дней при 150°C. Группы образцов из 1000 устройств в каждой прошли три цикла испытаний, во время которых на затворы подавалось разное положительное напряжение смещения. типичные результаты этих тестов показаны на рисунке 5. Благодаря оптимизации, основанной на результатах испытаний, оксидный слой затвора был выбран так, чтобы: количество отказов не превысило 10 у 1000 приборов при 30 в (вдвое больше рекомендуемого смещения затвора); при 25 в произошел только один отказ у одного из 1000 приборов; количество отказов было нулевым при 15 в.

Величина механического напряжения оксидного слоя в выключенном состоянии, которое контролируется путем экранирования чувствительных областей за счет корректно подобранной структуры p-областей, была уточнена с помощью повторных стресс-тестов и подгонки конструкции ячейки. окончательный объем производства приборов определяется после прохождения стресс тестирования 5000 образцов в течение 100 дней при 150°C, V_GS = -5 В и V_DS = 1000 В с нулевым количеством отказов.

Выводы

Методическое проектирование, тесты и точная настройка параметров, например толщины оксидного слоя затвора, описанные в этой статье на примере 1200-В SiC MOSFET, относятся и к семейству 650-В CoolSiC MOSFET от Infineon. Цель компании - предоставить разработчикам приборы с непревзойденной эффективностью и надежностью для всех систем преобразования энергии и питания с жесткой и резонансной коммутацией.

Опубликовано в журнале «Электронные компоненты» №9, 2021

Техподдержка: infineon@symmetron.ru