普賽斯儀表測試SiC MOS電性能方案詳解

碳化硅（SiC）之所以被電動車大量采用，因具有“高耐壓”、“低導(dǎo)通電阻”、“高頻”這三個特性，相較硅基半導(dǎo)體更適合車用。首先，從材料特性上看，碳化硅（SiC）具有更低電阻，電流傳導(dǎo)時的功率損耗更小，不僅使電動車電池電量得到更高效率的使用，而且降低傳統(tǒng)高電阻產(chǎn)生熱的問題，降低散熱系統(tǒng)的設(shè)計成本。

最后，碳化硅（SiC）芯片面積具耐高溫、高壓、低電阻特性，可設(shè)計更小，多出來的空間讓電動車乘坐空間更舒適，或電池做更大，達(dá)更高行駛里程。

從硅基（Si）到碳化硅（SiC）MOS的技術(shù)發(fā)展與進步進程來看，面臨的蕞大挑戰(zhàn)是解決產(chǎn)品可靠性問題，而在諸多可靠性問題中尤以器件閾值電壓（Vth）的漂移蕞為關(guān)鍵，是近年來眾多科研工作關(guān)注的焦點，也是評價各家         SiC MOSFET 產(chǎn)品技術(shù)可靠性水平的核心參數(shù)。

碳化硅SiC   MOSFET的閾值電壓穩(wěn)定性相對Si材料來講，是比較差的，對應(yīng)用端的影響也很大。由于晶體結(jié)構(gòu)的差異，相比于硅器件，SiO2-SiC界面存在大量的界面態(tài)，它們會使閾值電壓在電熱應(yīng)力的作用下發(fā)生漂移，在高溫下漂移更明顯，將嚴(yán)重影響器件在系統(tǒng)端應(yīng)用的可靠性。

由于SiC  MOSFET與Si MOSFET特性的不同，SiC     MOSFET的閾值電壓具有不穩(wěn)定性，在器件測試過程中閾值電壓會有明顯漂移，導(dǎo)致其電性能測試以及高溫柵偏試驗后的電測試結(jié)果嚴(yán)重依賴于測試條件。因此SiC  MOSFET閾值電壓的準(zhǔn)確測試，對于指導(dǎo)用戶應(yīng)用，評價SiC MOSFET技術(shù)狀態(tài)具有重要意義。

根據(jù)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)戰(zhàn)略聯(lián)盟目前的研究表明，導(dǎo)致SiC  MOSFET的閾值電壓不穩(wěn)定的因素有以下幾種：

1、柵壓偏置

通常情況下，負(fù)柵極偏置應(yīng)力會增加正電性氧化層陷阱的數(shù)量，導(dǎo)致器件閾值電壓的負(fù)向漂移，而正柵極偏置應(yīng)力使得電子被氧化層陷阱俘獲、界面陷阱密度增加，導(dǎo)致器件閾值電壓的正向漂移。

2、測試時間

高溫柵偏試驗中采用閾值電壓快速測試方法，能夠觀測到更大比例受柵偏置影響改變電荷狀態(tài)的氧化層陷阱。反之，越慢的測試速度，測試過程越可能抵消之前偏置應(yīng)力的效果。

3、柵壓掃描方式

SiC   MOSFET高溫柵偏閾值漂移機理分析表明，偏置應(yīng)力施加時間決定了哪些氧化層陷阱可能會改變電荷狀態(tài)，應(yīng)力施加時間越長，影響到氧化層中陷阱的深度越深，應(yīng)力施加時間越短，氧化層中就有越多的陷阱未受到柵偏置應(yīng)力的影響。

4、測試時間間隔

國際上有很多相關(guān)研究表明，SiC     MOSFET閾值電壓的穩(wěn)定性與測試延遲時間是強相關(guān)的，研究結(jié)果顯示，用時100µs的快速測試方法得到的器件閾值電壓變化量以及轉(zhuǎn)移特性曲線回滯量比耗時1s的測試方法大4倍。

5、溫度條件

在高溫條件下，熱載流子效應(yīng)也會引起有效氧化層陷阱數(shù)量波動，或使SiC     MOSFET氧化層陷阱數(shù)量增加，最終引起器件多項電性能參數(shù)的不穩(wěn)定和退化，例如平帶電壓VFB和VT漂移等。

 根據(jù)JEDEC  JEP183:2021《測量SiC MOSFETs閾值電壓(VT)的指南》、T_CITIIA     109-2022《電動車輛用碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（SiC MOSFET）模塊技術(shù)規(guī)范》、T/CASA   006-2020 《碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管通用技術(shù)規(guī)范》等要求，目前，武漢普賽斯儀表自主開發(fā)出適用于碳化硅（SiC）功率器件閾值電壓測試及其它靜態(tài)參數(shù)測試的系列源表產(chǎn)品，覆蓋了現(xiàn)行所有可靠性測試方法。

 針對硅基(Si）以及碳化硅（SiC）等功率器件靜態(tài)參數(shù)低壓模式的測量，建議選用P系列高精度臺式脈沖源表。P系列脈沖源表是普賽斯在經(jīng)典S系列直流源表的基礎(chǔ)上打造的一款高精度、大動態(tài)、數(shù)字觸摸源表，匯集電壓、電流輸入輸出及測量等多種功能，蕞大輸出電壓達(dá)300V，蕞大脈沖輸出電流達(dá)30A，支持四象限工作，被廣泛應(yīng)用于各種電氣特性測試中。

1、P300B高精度脈沖源表

-         脈沖直流，簡單易用

-         范圍廣，高至300V低至1pA

-         最小脈沖寬度200μs

-         準(zhǔn)確度為0.03%

針對高壓模式的測量，普賽斯儀表推出的E系列高壓程控電源具有輸出及測量電壓高（3500V）、能輸出及測量微弱電流信號（1nA）、輸出及測量電流0-100mA等特點。產(chǎn)品可以同步電流測量，支持恒壓恒流工作模式，同事支持豐富的IV掃描模式。E系列高壓程控電源可應(yīng)用于IGBT擊穿電壓測試、IGBT動態(tài)測試母線電容充電電源、IGBT老化電源、防雷二極管耐壓測試等場合。其恒流模式對于快速測量擊穿點具有重大意義。

2、E系列高電壓源測單元

-         ms級上升沿和下降沿

-         單臺蕞大3500V電壓輸出(可擴展12kV)

-         測量電流低至1nA

-         準(zhǔn)確度為0.1%

針對二極管、IGBT器件、IPM模塊等需要高電流的測試場合，普賽斯HCPL系列高電流脈沖電源，具有輸出電流大（1000A）、脈沖邊沿陡（15μs）、支持兩路脈沖電壓測量（峰值采樣）以及支持輸出極性切換等特點。

3、HCPL100高電流脈沖電源

-         輸出電流達(dá)1000A

-         多臺并聯(lián)可達(dá)6000A

-         50μs-500μs的脈沖寬度可調(diào)

-         脈沖邊沿陡(典型時間15us)

-         兩路同步測量電壓(0.3mV-18V)

未來，普賽斯儀表基于國產(chǎn)化高精度數(shù)字源表（SMU）的測試方案，以更優(yōu)的測試能力、更準(zhǔn)確的測量結(jié)果、更高的可靠性與更全面的測試能力，聯(lián)合更多行業(yè)客戶，共同助力我國半導(dǎo)體功率器件高可靠高質(zhì)量發(fā)展