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基于恒压与脉冲电压的商用碳化硅MOSFET时间相关介质击穿研究
Investigation of Time-Dependent Dielectric Breakdown on Commercial SiC MOSFETs Using Constant-Voltage and Pulse-Voltage
| 作者 | Michael Jin · Hengyu Yu · Monikuntala Bhattacharya · Jiashu Qian · Shiva Houshmand · Atsushi Shimbori |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年8月 |
| 技术分类 | 光伏发电技术 |
| 技术标签 | SiC器件 工商业光伏 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 碳化硅MOSFET 栅氧化层寿命 脉冲电压TDDB 恒定电压TDDB 栅泄漏电流 |
语言:
中文摘要
本研究在150°C条件下,采用脉冲电压时变介质击穿(PV - TDDB)和恒压时变介质击穿(CV - TDDB)方法,估算了两代商用平面碳化硅(SiC)金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(MOSFET)的本征栅极氧化物寿命。与传统的恒压时变介质击穿(CV - TDDB)方法相比,所提出的PV - TDDB方法在相同的氧化物电场下预测的寿命显著更长,且估算的寿命更接近实际工作寿命。此外,分析了两种条件下的栅极泄漏电流行为。研究了栅极氧化物中的电荷俘获对栅极泄漏电流和寿命的影响,以及高频栅极电压脉冲对栅极氧化物和被俘获电荷的影响。最后,对两代器件的栅极氧化物寿命进行了比较。所提出的PV - TDDB方法通过引入脉冲栅极氧化物电压改进了传统的CV - TDDB测试,从而能更真实地评估实际工作条件下的氧化物寿命。
English Abstract
This study estimates the intrinsic gate oxide lifetime of two generations of commercial planar SiC MOSFETs using pulse-voltage time-dependent dielectric breakdown (PV-TDDB) and constant-voltage (CV) time-dependent dielectric breakdown (TDDB) at 150~^ C. Compared to the conventional CV time-dependent-dielectric-breakdown (CV-TDDB) method, the proposed PV-TDDB method yields significantly higher predicted lifetimes at the same oxide electric field, with estimated lifetimes closer to actual operational lifetimes. Furthermore, the gate leakage current behaviors under both conditions are analyzed. The effects of charge trapping in the gate oxide on the gate leakage current and the lifetime are examined, along with the effects of the high-frequency gate voltage pulses on the gate oxide and trapped charges. Finally, the gate oxide lifetime of the two generations of devices is compared. The proposed PV-TDDB method enhances conventional CV-TDDB testing by incorporating pulsed gate oxide voltages, thereby providing a more representative assessment of oxide lifetime under real operating conditions.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项关于SiC MOSFET栅氧化层时间相关介质击穿(TDDB)的研究具有重要的工程应用价值。SiC功率器件是我们光伏逆变器和储能系统中的核心元件,其可靠性直接影响产品的全生命周期性能和市场竞争力。
该研究的核心价值在于提出了脉冲电压TDDB测试方法(PV-TDDB),相比传统恒压测试能更准确地预测器件在实际工况下的寿命。这对阳光电源意义重大:我们的逆变器和储能变流器中,SiC MOSFET长期工作在高频开关状态下,栅极承受的是脉冲电压而非恒定应力。传统CV-TDDB方法往往过于保守,可能导致器件选型时的过度设计,增加成本;而PV-TDDB方法揭示的更长实际寿命,为我们优化功率密度、降低系统成本提供了理论依据。
研究中对电荷陷阱效应和栅漏电流行为的深入分析,为我们的可靠性工程团队提供了宝贵参考。在高温环境(150℃)下的测试数据尤其重要,这贴近光伏逆变器在沙漠、屋顶等极端应用场景的实际工作条件。通过理解不同代际商用SiC器件的栅氧化层退化机制,我们可以更精准地制定器件筛选标准和预测性维护策略。
技术挑战方面,如何将PV-TDDB测试方法标准化并集成到供应链质量管控体系中需要进一步探索。机遇在于,掌握这一评估方法可使阳光电源在新一代高效率、高可靠性产品开发中占据先机,特别是在25年以上设计寿命的大型地面电站和长时储能系统应用中,精确的寿命预测能显著提升客户信心和产品溢价能力。