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电动汽车驱动 SiC器件 可靠性分析 ★ 4.0

针对具有非致命外延形貌缺陷的4H-SiC MOSFET性能与可靠性的系统性研究

Systematic Investigation on the Performance and Reliability of 4H-SiC MOSFETs With Nonkiller Epitaxial Morphological Defects

作者 Yibo Zhang · Xiaoyan Tang · Hao Yuan · Jingkai Guo · Haohang Yang · Yu Zhou
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年4月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 SiC器件 可靠性分析
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 碳化硅MOSFET 外延形态缺陷 器件性能 短路可靠性 长期可靠性
语言:

中文摘要

碳化硅(SiC)金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(MOSFET)中的外延形态缺陷会导致器件失效。虽然芯片探测(CP)方法能够识别并区分许多失效器件,但一些非致命性的外延形态缺陷常常会通过初始筛选,从而导致器件在实际应用中过早失效。本研究探讨了碳化硅形态缺陷对器件性能、短路(SC)可靠性和长期可靠性的影响。通过实验分析与技术计算机辅助设计(TCAD)模拟相结合的方法,为形态缺陷对器件性能的不同影响提供了有力证据。研究结果表明,胡萝卜形缺陷会显著降低栅极氧化物的质量,导致器件在长期可靠性测试和短路测试中过早失效。相比之下,三角形缺陷主要影响器件的阻断能力,而通过筛选的存在此类形态缺陷的器件,其短路性能并未显著恶化。

English Abstract

Epitaxial morphological defects in silicon carbide (SiC) MOSFETs can induce device failures. While chip probing (CP) methods can identify and distinguish many failed devices, some nonkiller epitaxial morphological defects often pass the initial screening, leading to early failures in practical applications. This study investigates the impact of SiC morphological defects on device performance, short-circuit (SC) reliability, and long-term reliability. Through a combination of experimental analysis and TCAD simulations, strong evidence is provided for the diverse effects of morphological defects on device performance. The results reveal that the Carrot-Defect significantly degrades the quality of the gate oxide, leading to premature failures in long-term reliability and SC tests. In contrast, the Triangle-Defect primarily affects the blocking capability of the device, while the SC performance of devices with such morphological defects that pass screening does not significantly deteriorate.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于4H-SiC MOSFET外延形貌缺陷的系统性研究具有重要的战略价值。SiC功率器件是我们光伏逆变器和储能系统的核心部件,直接影响产品的功率密度、效率和可靠性。

该研究揭示了一个关键问题:传统芯片探测(CP)筛选方法存在局限性,某些"非致命"缺陷可能通过初检但在实际应用中导致早期失效。这与我们在大功率逆变器和储能变流器领域面临的挑战高度契合。研究指出胡萝卜型缺陷会显著降低栅氧化层质量,导致长期可靠性和短路测试中的过早失效,这对于要求25年以上运行寿命的光伏系统而言是不可接受的。相比之下,三角型缺陷主要影响阻断能力,但通过筛选后的器件短路性能退化不明显,这为我们优化供应商质量管控提供了理论依据。

从应用价值看,该研究的TCAD仿真与实验结合方法为我们建立更精准的器件筛选标准提供了技术路径。我们可以据此与上游SiC器件供应商协同,制定针对不同缺陷类型的差异化检测规范,特别是加强对栅氧化层质量的长期可靠性评估。

技术挑战在于如何将这些研究成果转化为可规模化的产线检测方案,以及如何平衡检测成本与可靠性提升的经济性。但这同时也是机遇——通过深度参与SiC器件可靠性研究,阳光电源可以在功率半导体应用端建立技术壁垒,提升产品在极端工况下的表现,巩固在高端逆变器和储能市场的领先地位。