周郁明，蔣保國，陳兆權(quán)，王 兵

(安徽工業(yè)大學(xué) 安徽省高校電力電子與運(yùn)動控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243002)

相比傳統(tǒng)的硅材料，第三代半導(dǎo)體材料碳化硅由于具有更高的禁帶寬度、更高的熱導(dǎo)率、更高的電子飽和速度等優(yōu)勢[1-2]，基于碳化硅材料的場效應(yīng)晶體管更適合于高頻、高溫、高耐壓等功率變換場合。在實(shí)際的應(yīng)用中，功率場效應(yīng)晶體管經(jīng)常會遭遇短路事故，尤其是電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，在保護(hù)電路能夠介于之前，人們希望功率場效應(yīng)晶體管能夠具有一定的短路抵御能力。然而，由于碳化硅/氧化物界面陷阱密度比硅/氧化物高兩個數(shù)量級，為了取得較高的閾值電壓，碳化硅場效應(yīng)晶體管的氧化層厚度往往設(shè)計(jì)得比硅場效應(yīng)晶體管的薄，這使得在高電應(yīng)力的條件下，碳化硅場效應(yīng)晶體管的氧化層更容易失效[3]；同時(shí)，由于同樣功率等級的情況下，碳化硅場效應(yīng)晶體管的芯片面積做得比硅場效應(yīng)晶體管的小，這使得碳化硅場效應(yīng)晶體管承受了更高密度的電流應(yīng)力，因而碳化硅場效應(yīng)晶體管的短路抵御能力比硅場效應(yīng)晶體管的弱。

自從第一代碳化硅場效應(yīng)晶體管產(chǎn)品面世以來，大量文獻(xiàn)對碳化硅場效應(yīng)晶體管的短路特性和失效機(jī)理進(jìn)行了深入的研究。文獻(xiàn)[4-9]討論了環(huán)境溫度、直流母線電壓、短路脈沖的次數(shù)等參數(shù)對碳化硅場效應(yīng)晶體管短路特性的影響。文獻(xiàn)[10]總結(jié)了碳化硅場效應(yīng)晶體管的短路失效機(jī)理，認(rèn)為碳化硅場效應(yīng)晶體管的失效主要有三種原因，分別是氧化層失效、溝道過電流、熱奔。文獻(xiàn)[11-12]利用半導(dǎo)體器件的計(jì)算機(jī)模擬從器件內(nèi)部討論了碳化硅場效應(yīng)晶體管的失效機(jī)理，認(rèn)為短路時(shí)器件內(nèi)部的局部過熱是碳化硅場效應(yīng)晶體管失效的根本原因。在討論碳化硅場效應(yīng)晶體管失效機(jī)理時(shí)，不少文獻(xiàn)提到了場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)中的寄生雙極型晶體管(Bipolar Junction Transistor,BJT)[5-7, 10, 13-16]；這些文獻(xiàn)有的認(rèn)為高電流應(yīng)力下寄生雙極型晶體管的導(dǎo)通是觸發(fā)碳化硅場效應(yīng)晶體管“熱奔”的主要原因；也有文獻(xiàn)認(rèn)為碳化硅場效應(yīng)晶體管內(nèi)建電壓比較高，寄生雙極型晶體管不會導(dǎo)通。同時(shí)，文獻(xiàn)[14]詳細(xì)討論了晶體管P基區(qū)尺寸、摻雜濃度等參數(shù)對處于高電流應(yīng)力下的碳化硅場效應(yīng)晶體管寄生雙極型晶體管導(dǎo)通的可能性的影響。

迄今為止，無論是對碳化硅場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還是對碳化硅場效應(yīng)晶體管的特性和機(jī)理研究，大多是基于傳統(tǒng)的硅場效應(yīng)晶體管的理論和技術(shù)。因而，在討論碳化硅場效應(yīng)晶體管的失效機(jī)理時(shí)，將碳化硅場效應(yīng)晶體管的短路特性和失效機(jī)理與硅場效應(yīng)晶體管對比分析，可以更加深入和清晰地了解碳化硅場效應(yīng)晶體管的短路失效機(jī)理。筆者以型號為C2M0080120D(1200 V/36 A)的碳化硅場效應(yīng)晶體管和型號為IXFK32N100P(1000 V/32 A)的硅場效應(yīng)晶體管為參照對象，借助半導(dǎo)體器件模擬軟件建立了兩種功率場效應(yīng)晶體管短路失效的數(shù)值模型；利用短路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，隨后對比了兩種功率場效應(yīng)晶體管數(shù)值模型內(nèi)部的電流線走向和溫度分布，并結(jié)合兩種功率場效應(yīng)晶體管失效時(shí)柵極驅(qū)動電壓的變化，深入分析了碳化硅場效應(yīng)晶體管和硅場效應(yīng)晶體管的短路失效機(jī)理。

1 數(shù)值模型的建立

半導(dǎo)體器件模擬軟件所建立的數(shù)值模型，是具有一定的幾何結(jié)構(gòu)，定義了各區(qū)域的材料種類和摻雜濃度，并具有相應(yīng)電極的虛擬器件。利用半導(dǎo)體器件模擬軟件所建立的數(shù)值模型進(jìn)行仿真時(shí)，是將器件離散成有限元結(jié)構(gòu)，并將每個相關(guān)聯(lián)的網(wǎng)格點(diǎn)的性質(zhì)進(jìn)行整合，通過計(jì)算每一個網(wǎng)格點(diǎn)的電場、電流密度、溫度、產(chǎn)生和復(fù)合率等物理量，描繪出器件結(jié)構(gòu)中每一個網(wǎng)格點(diǎn)的特性，并以電壓和電流的外在形式表現(xiàn)出來。利用半導(dǎo)體器件模擬軟件描述短路條件下功率場效應(yīng)晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動，重要的是引入自熱效應(yīng)。該效應(yīng)通過求解熱流方程并設(shè)置相應(yīng)的邊界條件來實(shí)現(xiàn)。熱流方程表達(dá)式為

(1)

其中，C為單位熱容，κ為熱導(dǎo)率，H為器件所產(chǎn)生的熱，T為局部溫度。在所建立的數(shù)值模型中，熱容C采用半導(dǎo)體器件模擬軟件默認(rèn)的材料參數(shù)。熱導(dǎo)率κ與溫度有關(guān)，數(shù)值模型采用如下的熱導(dǎo)率模型：

(2)

其中,a、b和c為系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[17-18]有關(guān)碳化硅和硅熱導(dǎo)率曲線擬合獲取。邊界條件通過定義熱電極來設(shè)置，一般為場效應(yīng)晶體管的漏極。

高電流應(yīng)力能夠顯著抬升功率場效應(yīng)晶體管的溫度，直接導(dǎo)致載流子的溫度升高，由此影響了與溫度有關(guān)聯(lián)的載流子遷移率。為了準(zhǔn)確反映數(shù)值模型的短路行為，需引入與溫度和摻雜濃度相關(guān)的載流子遷移率模型。半導(dǎo)體器件模擬軟件中的Arora載流子遷移率模型合理地描述了載流子遷移率的溫度相關(guān)行為，其表達(dá)式為

(3)

表1示出了所建立的碳化硅場效應(yīng)晶體管和硅場效應(yīng)晶體管數(shù)值模型的Arora載流子遷移率模型中的各個參數(shù)取值[11]。

表1 場效應(yīng)晶體管數(shù)值模型Arora載流子遷移率模型參數(shù)取值

另外，數(shù)值模型通過引入載流子的福勒-諾德海姆(Fowler-Nordheim)隧穿和蒲爾-弗朗克(Poole-Frenkel)發(fā)射模擬氧化層的泄漏電流，可以評價(jià)場效應(yīng)晶體管氧化層的退化。半導(dǎo)體/氧化物界面特性對功率場效應(yīng)晶體管的性能影響也比較大，尤其是碳化硅/氧化物界面固定電荷和界面陷阱電荷，所建立的兩種功率場效應(yīng)晶體管的數(shù)值模型引入了界面固定電荷模型和在能帶內(nèi)均勻分布的界面陷阱模型。

表2列出了兩種功率場效應(yīng)晶體管數(shù)值模型中的界面固定電荷密度QF和界面陷阱密度QA，其他的關(guān)鍵參數(shù)取值，諸如氧化層厚度tox、熱阻Rth、式(2)中的三個系數(shù)，也在表2中示出。

表2 場效應(yīng)晶體管數(shù)值模型的關(guān)鍵參數(shù)及其取值

圖1示出了所建立的碳化硅場效應(yīng)晶體管和硅場效應(yīng)晶體管二維數(shù)值模型結(jié)構(gòu)，包括N襯底、N-漂移區(qū)、P基區(qū)、N+源區(qū)、P+體區(qū)和相應(yīng)的電極。模型中，N-漂移區(qū)的摻雜濃度和厚度決定了晶體管的擊穿電壓，P基區(qū)摻雜濃度決定了晶體管的閾值電壓，這些參數(shù)通過半導(dǎo)體器件模擬軟件依據(jù)所參照的兩種型號的功率場效應(yīng)晶體管的擊穿電壓和閾值電壓來仿真獲取，其他區(qū)域的摻雜濃度和厚度根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)來選取。

圖1 碳化硅場效應(yīng)晶體管和硅場效應(yīng)晶體管的二維數(shù)值模型結(jié)構(gòu)

2 模型的驗(yàn)證

圖2 短路實(shí)驗(yàn)平臺

搭建了如圖2所示的短路實(shí)驗(yàn)平臺。直流偏置電壓由4個耐壓為500 V、容量為1 mF的電容器并聯(lián)提供，一個數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor,DSP)開發(fā)板提供兩種功率場效應(yīng)晶體管的柵極控制信號，短路電流由最高測量值為800 A的電流探頭采集。兩種功率場效應(yīng)晶體管的開通和關(guān)斷電壓根據(jù)其產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊設(shè)定，C2M0080120D為20 V/5 V，IXFK32N100P為15 V/0 V，柵極驅(qū)動電阻都選擇為5.1。

圖3展示了兩種功率場效應(yīng)晶體管在400 V的直流偏置作用下實(shí)驗(yàn)所測得和數(shù)值模型仿真到的短路電流(IDS)、漏源兩端電壓(VDS)、柵極驅(qū)動電壓(VGS)的對比，由于實(shí)驗(yàn)中存在著嚴(yán)重的電磁干擾以及擔(dān)心晶體管爆炸所帶來的破壞力，柵極電流(IGS)沒有采集。從圖3可以看出所建立的數(shù)值模型比較合理地再現(xiàn)了兩種功率場效應(yīng)晶體管的短路失效行為。另外，從圖可以看出，碳化硅場效應(yīng)晶體管的短路耐受時(shí)間為22.4s，硅場效應(yīng)晶體管為287s，同時(shí)，失效前碳化硅場效應(yīng)晶體管的柵極驅(qū)動電壓出現(xiàn)了嚴(yán)重的退化，下降了5.2 V左右，而硅場效應(yīng)晶體管的柵極驅(qū)動電壓幾乎沒有退化。

圖3 碳化硅場效應(yīng)晶體管和硅場效應(yīng)晶體管短路失效數(shù)值模型的驗(yàn)證

3 結(jié)果與討論

圖4 分離功率場效應(yīng)晶體管短路時(shí)電子電流和空穴電流的配置結(jié)構(gòu)

不少文獻(xiàn)的研究結(jié)果表明，處于短路應(yīng)力下的功率場效應(yīng)晶體管內(nèi)存在著局部“熱點(diǎn)”，導(dǎo)致晶體管內(nèi)產(chǎn)生了額外的電子空穴對[11-12]，在直流偏置電壓的作用下，電子空穴對穿過場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)中的P基區(qū)和N-漂移區(qū)組成的PN結(jié)，形成泄漏電流[3]。對于正常工作的N溝道場效應(yīng)晶體管，形成通態(tài)電流的載流子是電子；在短路狀態(tài)下，局部“熱點(diǎn)”產(chǎn)生的電子空穴對所形成的電流是短路電流的一部分，然而空穴不會經(jīng)過場效應(yīng)晶體管的N+源區(qū)，為了衡量短路時(shí)局部“熱點(diǎn)”所產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)量的多少，可以從短路電流中分離出空穴電流來判斷，其方法是在功率場效應(yīng)晶體管的N+源區(qū)旁邊設(shè)置一個P+體區(qū)，并配置相應(yīng)的電極，流過此電極的電流即為空穴電流Ip，Ip和源極的電子電流In一起構(gòu)成場效應(yīng)晶體管的短路電流IDS，其配置結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖中VDC是直流偏置電壓，VPULSE為柵極驅(qū)動電壓，RG為柵極驅(qū)動電阻。

圖3所示的兩種功率場效應(yīng)晶體管的短路電流利用圖4所示的結(jié)構(gòu)分離出來的電子電流和空穴電流如圖5所示，同時(shí)，數(shù)值模型在短路過程中的局部最高溫度也一起畫出。

圖5 兩種功率場效應(yīng)晶體管數(shù)值模型在短路過程中的電子電流、空穴電流和最高溫度

由圖5可見，兩種功率場效應(yīng)晶體管在遭遇短路事故后，短路電流以電子電流為主，而空穴電流則隨著晶體管溫度的增加而增加，在臨界失效時(shí)刻，即圖中A點(diǎn)所指的時(shí)刻，電子電流、空穴電流和晶體管溫度都突然增加，同時(shí)，碳化硅場效應(yīng)晶體管的局部最高溫度為1 913 K，硅場效應(yīng)晶體管的為1 033 K左右。

前面提及到，已有文獻(xiàn)對碳化硅場效應(yīng)晶體管短路時(shí)其結(jié)構(gòu)中由N-漂移區(qū)、P基區(qū)、N+源區(qū)所組成的NPN雙極型晶體管導(dǎo)通和不導(dǎo)通有不同的看法，但是都沒有給出明確的證據(jù)，即使文獻(xiàn)[14]采用數(shù)值計(jì)算的方法給出了寄生雙極型晶體管導(dǎo)通的可能性，結(jié)論也并不確切。半導(dǎo)體器件模擬軟件所建立的數(shù)值模型，一個顯著的特點(diǎn)是可以隨時(shí)查看器件內(nèi)的電流走向以及溫度分布。圖6畫出了碳化硅場效應(yīng)晶體管和硅場效應(yīng)晶體管在圖3(a)和圖3(b)中臨界失效時(shí)刻A點(diǎn)和失效后的B點(diǎn)所對應(yīng)的晶體管內(nèi)的電流線，圖7畫出了對應(yīng)點(diǎn)晶體管內(nèi)的溫度分布。由圖6可見，在A和B兩個時(shí)刻，碳化硅場效應(yīng)晶體管內(nèi)的電流有兩個通道，一個是溝道，另外一個是溝道附近的P基區(qū)和N-漂移區(qū)所組成的PN結(jié)，沒有從寄生雙極型晶體管穿過的電流，這顯示出碳化硅場效應(yīng)晶體管在短路失效的過程中寄生雙極型晶體管沒有導(dǎo)通，“熱點(diǎn)”所產(chǎn)生的電子是經(jīng)過P基區(qū)到達(dá)N+源區(qū)，空穴則從N+源區(qū)下的P基區(qū)到達(dá)P+源區(qū)。而硅場效應(yīng)晶體管在短路過程中的電流有三個通道，除了溝道和溝道附近的PN結(jié)，還有P基區(qū)下方的PN結(jié)，而穿過P基區(qū)下方PN結(jié)的電流，正是寄生雙極型晶體管導(dǎo)通所形成的電流，這顯示出硅場效應(yīng)晶體管在短路失效時(shí)，寄生雙極型晶體管出現(xiàn)了導(dǎo)通，并且隨著短路的持續(xù)進(jìn)行，更多的電流是從寄生雙極型晶體管穿過。圖7的溫度分布顯示，兩種功率場效應(yīng)晶體管短路時(shí)，局部“熱點(diǎn)”位于柵極氧化層下的N-漂移區(qū)，并隨著短路的進(jìn)行，“熱點(diǎn)”的溫度增加，并轉(zhuǎn)移到柵極氧化層下方的漂移區(qū)，導(dǎo)致氧化層和表面金屬電極(通常是鋁及其合金)的溫度都比較高；這增強(qiáng)了載流子往柵極氧化層的注入，加速了氧化層的退化；尤其是碳化硅場效應(yīng)晶體管，一方面柵極氧化層比硅場效應(yīng)晶體管的氧化層薄，另外一方面氧化層附近的溫度比硅場效應(yīng)晶體管的高得多，因而碳化硅場效應(yīng)晶體管柵極氧化層的退化比硅場效應(yīng)晶體管要嚴(yán)重得多。

圖6中硅場效應(yīng)晶體管寄生雙極型晶體管的導(dǎo)通，是因?yàn)镹+源區(qū)下方P基區(qū)電流在基區(qū)電阻(RB)上產(chǎn)生的壓降高于PN結(jié)的內(nèi)建電壓(Vbi)。內(nèi)建電壓是溫度、P基區(qū)和N-漂移區(qū)摻雜濃度的函數(shù)，表達(dá)式為

(4)

其中k為玻爾茲曼常數(shù)，T為溫度，q為基本電荷量，NA和ND分別為P基區(qū)和N-漂移區(qū)的摻雜濃度，ni為本征濃度。

圖7 兩種功率場效應(yīng)晶體管數(shù)值模型的溫度在不同短路時(shí)刻的分布

對于硅材料，ni表達(dá)式為[19]

ni=3.87×1016T3/2exp(-7.02×103/T) 。

(5)

對于碳化硅材料，ni表達(dá)式為[19]

ni=1.70×1016T3/2exp(-2.08×104/T) 。

(6)

根據(jù)圖1所示的兩種功率場效應(yīng)晶體管的摻雜濃度可以畫出兩種材料PN結(jié)的內(nèi)建電壓與溫度的關(guān)系曲線，其結(jié)果如圖8所示；圖中也畫出了兩種材料內(nèi)建電壓的差值。由圖可見，兩種材料PN結(jié)的內(nèi)建電壓都隨著溫度的增加而減小，但是硅PN下降得更快一些，而且在整個溫度范圍內(nèi)，碳化硅PN結(jié)的內(nèi)建電壓比硅的內(nèi)建電壓至少高出2.5 V。另外，圖5中碳化硅場效應(yīng)晶體管和硅場效應(yīng)晶體管在臨界失效點(diǎn)A點(diǎn)的空穴電流分別為42 A和62 A，由此可見，硅場效應(yīng)晶體管寄生雙極型晶體管導(dǎo)通的幾率比碳化硅場效應(yīng)晶體管的高得多。同時(shí)，從圖7可以看出，晶體管內(nèi)的最高溫度主要分布在柵極氧化層下面的N-漂移區(qū)，N+源區(qū)下方的P基區(qū)溫度相對較低，因而內(nèi)建電壓的變化并不大，短路過程中碳化硅PN結(jié)保持了較高的內(nèi)建電壓，進(jìn)一步提高了碳化硅場效應(yīng)晶體管寄生雙極型晶體管導(dǎo)通的難度。

圖8 兩種材料的PN結(jié)的內(nèi)建電壓以及兩者的差值隨溫度的變化趨勢

由上述分析可知，短路條件下的碳化硅場效應(yīng)晶體管失效，有兩種機(jī)制：①由于較高的內(nèi)建電壓，短路時(shí)其結(jié)構(gòu)中的寄生雙極型晶體管沒有導(dǎo)通，晶體管內(nèi)高電流應(yīng)力所帶來的溫升傳遞到表面，并超過了金屬電極的熔化溫度，由此導(dǎo)致金屬電極熔化而使碳化硅場效應(yīng)晶體管失效；②由于碳化硅/氧化物界面高密度的陷阱，而設(shè)計(jì)了較薄的氧化層以及較高的柵極驅(qū)動電壓，增加了氧化層的泄漏電流，高電流應(yīng)力下碳化硅場效應(yīng)晶體管更容易出現(xiàn)柵極氧化層的損壞而失效。相比之下，硅場效應(yīng)晶體管的短路失效，是由于其結(jié)構(gòu)中的寄生雙極型晶體管導(dǎo)通，導(dǎo)致晶體管內(nèi)的泄漏電流失控，高電流應(yīng)力下晶體管直接燒毀而失效，而硅/氧化物界面較低密度的界面陷阱，相對較厚的氧化層和相對較低的柵極驅(qū)動電壓，硅場效應(yīng)晶體管氧化層在短路時(shí)出現(xiàn)損壞的可能性比碳化硅場效應(yīng)晶體管的要小一些。

4 結(jié)束語

利用半導(dǎo)體器件模擬軟件建立了能夠反映碳化硅場效應(yīng)晶體管和硅場效應(yīng)晶體管短路失效的數(shù)值模型，引入了半導(dǎo)體器件的自熱效應(yīng)和與溫度相關(guān)的遷移率模型，包含了界面固定電荷和界面陷阱，搭建了實(shí)驗(yàn)電路，驗(yàn)證了兩種功率場效應(yīng)晶體管短路失效數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。文中通過分離出失效時(shí)流過晶體管內(nèi)的電子電流和空穴電流，以及畫出失效過程中兩種功率場效應(yīng)晶體管內(nèi)電流線走向和溫度的分布，認(rèn)為碳化硅場效應(yīng)晶體管的短路失效，主要是晶體管溫度過高導(dǎo)致金屬電極的熔化以及柵極氧化層的損壞，而硅場效應(yīng)晶體管的短路失效，則是由于其結(jié)構(gòu)中的寄生雙極型晶體管的導(dǎo)通而引起的電流失控。