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高dV/dt下重复开关应力中功率LDMOS器件的热载流子加速退化
High [dV/dt] Accelerated Hot Carrier-Induced Degradation in Power LDMOS Devices Under Repetitive Switching Stress
| 作者 | Qianwen Guo · Fang Liu · Ke Zhou · Xingcong Chen · Dongyan Zhao · Yanning Chen |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年6月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | n型横向双扩散MOSFET 热载流子注入 漏端压摆率 退化特性 可靠性设计规则 |
语言:
中文摘要
本文通过实验研究了动态漏极应力条件下，n 型横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管（n - LDMOS）的漏极侧压摆率 [dV/dt] 增强型热载流子注入（HCI）效应。设计了利用脉冲 I - V 技术的快速测量系统，以产生该器件可调的 [dV/dt] 速率。通过脉冲宽度调制（PWM）技术解耦了热电子注入和热空穴注入所导致的退化特性。测量得到的阈值电压（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V} _{\text {TH}}$ </tex-math></inline-formula>）漂移结果与 TCAD 仿真结果共同表明，负的 [dV/dt] 会加剧 LDMOS 中 HCI 引起的退化，而正的 [dV/dt] 与 HCI 退化无显著关联。这种与极性相关的退化行为从根本上重新定义了高频电源管理系统中针对压摆率优化的栅极驱动器的可靠性感知设计规则。
English Abstract
The drain-side slew rate [dV/dt] enhanced hot carrier injection (HCI) of the n-type lateral double-diffused MOSFET (n-LDMOS) under dynamic drain stress conditions is experimentally investigated. The fast measurement system, utilizing pulse I–V technology, is designed to generate tunable [dV/dt] rates for the device. The degradation characteristics caused by hot electron and hot hole injection are decoupled via pulsewidth modulation (PWM) techniques. The measured V _ TH shift results cooperated with TCAD simulations have demonstrated that negative [dV/dt] will exacerbates HCI induced degradation in LDMOS, while positive [dV/dt] exhibits no significant correlation with HCI degradation. This polarity-dependent degradation behavior fundamentally redefines reliability-aware design rules for slew rate optimized gate drivers in high-frequency power management systems.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项关于功率LDMOS器件在动态开关应力下热载流子退化机制的研究具有重要的工程应用价值。LDMOS作为光伏逆变器和储能变流器中广泛使用的功率半导体器件，其可靠性直接影响系统的长期稳定性和LCOE（平准化度电成本）。
该研究揭示的关键发现对我们的产品设计具有直接指导意义：负向dV/dt会显著加剧热载流子注入导致的器件退化，而正向dV/dt的影响相对有限。这一极性依赖特性为我们优化高频功率管理系统中的栅极驱动电路提供了明确方向。在当前追求更高开关频率以提升功率密度和效率的技术趋势下，如何在提高dV/dt以降低开关损耗的同时，避免加速器件老化，是亟需解决的矛盾。
该研究采用的脉冲I-V测试技术和PWM解耦方法，可直接应用于我们的器件筛选和可靠性验证流程。通过TCAD仿真与实测数据的结合，我们能够在设计阶段就预判不同驱动策略对器件寿命的影响，从而制定更精准的热设计和降额规范。
技术挑战在于如何在实际产品中平衡开关速度与可靠性。机遇则体现在：通过非对称驱动策略优化（如针对下降沿进行slew rate控制），我们可以在不牺牲效率的前提下延长器件寿命，这对于25年设计寿命的光伏逆变器和长循环寿命的储能系统至关重要。建议将该研究成果纳入下一代SiC/GaN混合拓扑的栅极驱动芯片设计规范中，形成差异化的可靠性竞争优势。