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功率器件技术 SiC器件 工商业光伏 ★ 4.0

商用1.2-kV碳化硅MOSFET烧入技术的分析与优化

Analysis and Optimization of Burn-In Techniques for Screening Commercial 1.2-kV SiC MOSFETs

作者 Limeng Shi · Hengyu Yu · Michael Jin · Jiashu Qian · Monikuntala Bhattacharya · Shiva Houshmand
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2024年12月
技术分类 功率器件技术
技术标签 SiC器件 工商业光伏
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 老化技术 碳化硅MOSFET 阈值电压 导通电阻 优化策略
语言:

中文摘要

老化测试技术是一种成熟的筛选方法,旨在消除碳化硅(SiC)金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(MOSFET)栅极氧化物中的早期故障。尽管该技术应用广泛,但优化老化测试技术以提高其效率和可行性仍是一项重大挑战。本研究对经过老化测试后的商用1.2 kV SiC平面MOSFET的性能进行了研究,重点关注阈值电压(<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V}_{\text {th}}\text {)}$ </tex-math></inline-formula>、导通电阻(<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${R}_{\text {on}}\text {)}$ </tex-math></inline-formula>)和亚阈值迟滞(Hy)等参数。对SiC MOSFET在老化测试过程及后续恢复过程中的退化特性进行了深入分析。结果表明,激进的老化测试条件,如升高的氧化物电场或延长的应力持续时间,会在SiC/SiO₂界面处或其附近产生缺陷。这些新产生的缺陷和原有缺陷会促进电子俘获,导致<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>和<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${R}_{\text {on}}$ </tex-math></inline-formula>增大。因此,本研究提出了两种优化策略,以在苛刻条件下保持SiC MOSFET固有性能的同时改进老化测试技术。第一种方法是确定一个临界应力持续时间,以减少老化测试过程中的缺陷产生。第二种方法采用脉冲模式老化测试技术,并引入负栅极偏置以降低电子俘获的影响。

English Abstract

The burn-in technique is a well-established screening method designed to eliminate early failures in the gate oxide of silicon carbide (SiC) MOSFETs. Despite its widespread application, optimizing the burn-in technique to improve both efficiency and feasibility remains a significant challenge. This study investigates the performance of commercial 1.2-kV SiC planar MOSFETs following the burn-in process, focusing on parameters, such as threshold voltage ( V_ th ) ,on-resistance ( R_ on ) , and subthreshold hysteresis (Hy). The degradation characteristics of SiC MOSFETs during the burn-in and subsequent recovery processes are thoroughly analyzed. The results indicate that aggressive burn-in conditions, such as elevated oxide electric fields or prolonged stress durations, induce defect generation at or near the SiC/SiO2 interface. These new defects and pre-existing defects promote electron trapping, leading to an increase in V_ th and R_ on . Therefore, this study proposes two optimization strategies to refine the burn-in technique while maintaining the intrinsic performance of SiC MOSFETs under demanding conditions. The first approach involves identifying a critical stress duration to minimize defect generation during the burn-in process. The second approach utilizes pulse-mode burn-in technology, incorporating a negative gate bias to reduce the effects of electron trapping.
S

SunView 深度解读

作为全球领先的光伏逆变器和储能系统供应商,阳光电源在产品中大量使用1.2kV SiC MOSFET作为核心功率器件。该论文针对SiC MOSFET老化筛选技术的优化研究,对提升我司产品可靠性和降低制造成本具有重要战略意义。

从业务价值角度,该研究直击SiC器件早期失效筛选的核心痛点。传统burn-in工艺虽能剔除缺陷器件,但过激的筛选条件会在SiC/SiO2界面产生新缺陷,导致阈值电压和导通电阻漂移,这直接影响逆变器的开关损耗和长期稳定性。论文提出的两种优化策略——临界应力时长控制和负偏压脉冲模式——为我司建立更科学的器件入厂检验标准提供了理论依据,可有效平衡筛选效率与器件性能保持。

技术成熟度方面,该研究基于商用1.2kV器件的实验数据,具备较强的工程应用价值。特别是脉冲模式burn-in技术,可与我司现有自动化测试平台快速集成。考虑到SiC器件占逆变器成本的30-40%,优化后的筛选工艺若能降低5-10%的器件失效率,将显著提升系统级MTBF指标,这对大型地面电站和工商业储能项目的25年生命周期管理至关重要。

技术挑战在于不同厂商SiC器件的界面缺陷特性存在差异,需要针对供应链中的多家芯片厂商建立差异化的筛选参数库。同时,该技术为我司深化与上游SiC厂商的联合开发提供了切入点,可推动定制化器件的界面工艺改进,最终在高功率密度产品(如新一代1500V组串逆变器)中构建差异化竞争优势。