影响第三代半导体SiC MOS阈值电压不稳定的因素有哪些？如何应对？

碳化硅（SiC）之所以被电动车大量采用，因具有“高耐压”、“低导通电阻”、“高频”这三个特性，相较硅基半导体更适合车用。从硅基（Si）到碳化硅（SiC）MOS的技术发展与进步进程来看，面临的最大挑战是解决产品可靠性问题，而在诸多可靠性问题中尤以器件阈值电压（Vth）的漂移最为关键，是近年来众多科研工作关注的焦点，也是评价各家 SiC MOSFET 产品技术可靠性水平的核心参数。

由于SiC MOSFET与Si MOSFET特性的不同，SiC MOSFET的阈值电压具有不稳定性，在器件测试过程中阈值电压会有明显漂移，导致其电性能测试以及高温栅偏试验后的电测试结果严重依赖于测试条件。因此SiC MOSFET阈值电压的准确测试，对于指导用户应用，评价SiC MOSFET技术状态具有重要意义。

根据第三代半导体产业技术战略联盟目前的研究表明，导致SiC MOSFET的阈值电压不稳定的因素有以下几种：

01栅压偏置

通常情况下，负栅极偏置应力会增加正电性氧化层陷阱的数量，导致器件阈值电压的负向漂移，而正栅极偏置应力使得电子被氧化层陷阱俘获、界面陷阱密度增加，导致器件阈值电压的正向漂移。

02测试时间

高温栅偏试验中采用阈值电压快速测试方法，能够观测到更大比例受栅偏置影响改变电荷状态的氧化层陷阱。反之，越慢的测试速度，测试过程越可能抵消之前偏置应力的效果。

03栅压扫描方式

SiC MOSFET高温栅偏阈值漂移机理分析表明，偏置应力施加时间决定了哪些氧化层陷阱可能会改变电荷状态，应力施加时间越长，影响到氧化层中陷阱的深度越深，应力施加时间越短，氧化层中就有越多的陷阱未受到栅偏置应力的影响。

04测试时间间隔

国际上有很多相关研究表明，SiC MOSFET阈值电压的稳定性与测试延迟时间是强相关的，研究结果显示，用时100µs的快速测试方法得到的器件阈值电压变化量以及转移特性曲线回滞量比耗时1s的测试方法大4倍。

05温度条件

在高温条件下，热载流子效应也会引起有效氧化层陷阱数量波动，或使SiC MOSFET氧化层陷阱数量增加，最终引起器件多项电性能参数的不稳定和退化，例如平带电压VFB和VT漂移等。

根据JEDEC JEP183:2021《测量SiC MOSFETs阈值电压(VT)的指南》、T_CITIIA 109-2022《电动车辆用碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）模块技术规范》、T/CASA 006-2020 《碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管通用技术规范》等要求，目前，武汉普赛斯仪表自主开发出适用于碳化硅（SiC）功率器件阈值电压测试及其它静态参数测试的系列源表产品，覆盖了现行所有可靠性测试方法。

针对硅基(Si）以及碳化硅（SiC）等功率器件静态参数低压模式的测量，建议选用P系列高精度台式脉冲源表。P系列脉冲源表是在S系列直流源表的基础上打造的一款高精度、大动态、数字触摸源表，汇集电压、电流输入输出及测量等多种功能，最大输出电压达300V，最大脉冲输出电流达10A，支持四象限工作，被广泛应用于各种电气特性测试中。

P300高精度脉冲源表

- 脉冲直流，简单易用

- 范围广，高至300V低至1pA

- 最小脉冲宽度200μs

- 准确度为0.1%

针对高压模式的测量，E系列高压程控电源具有输出及测量电压高（3500V）、能输出及测量微弱电流信号（1nA）、输出及测量电流0-100mA等特点。产品可以同步电流测量，支持恒压恒流工作模式，同时支持丰富的IV扫描模式。E系列高压程控电源可应用于IGBT击穿电压测试、IGBT动态测试母线电容充电电源、IGBT老化电源、防雷二极管耐压测试等场合。其恒流模式对于快速测量击穿点具有重大意义。
 

E系列高电压源测单元

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- 单台最大3500V电压输出(可扩展10kV)

- 测量电流低至1nA

- 准确度为0.1%

针对二极管、IGBT器件、IPM模块等需要高电流的测试场合，HCPL100型高电流脉冲电源，具有输出电流大（1000A）、脉冲边沿陡（15μs）、支持两路脉冲电压测量（峰值采样）以及支持输出极性切换等特点。

HCPL 100高电流脉冲电源

- 输出电流达1000A

- 多台并联可达6000A

- 50μs-500μs的脉冲宽度可调

- 脉冲边沿陡(典型时间15us)

- 两路同步测量电压(0.3mV-18V)

审核编辑 黄宇