碳化硅的阈值电压稳定性

碳化硅SiC MOSFET的阈值电压稳定性相对Si材料来讲，是比较差的，对应用端的影响也很大。

有什么现象呢，主要是阈值电压的漂移，再说得直白点，就是阈值电压会随着栅极应力的施加而变化，在正的栅压下，阈值电压会变大，在负的栅压下，阈值电压会变小。在高温下更明显。

来源：UESTC 侯子婕

在高温和负的栅压下这种偏移我们称为“负偏压温度不稳定性NBTI”，上图是200℃和-20V偏压应力下的阈值电压变化。

图中所示，器件在负偏压应力下，器件阈值电压逐渐下降，并且随着时间的

增加，下降很明显，在200℃下的阈值电压甚至下降为负值！（红线表示阈值电压，可以看到，1000s之后，器件的阈值电压从+1.8V变成了-1V，也就说，器件这个时候变成常开的了，这个对器件的使用影响是非常大的。如果是逆变器的上下管，这个时候直接就误导通了）

既然有负的BTI，自然也有正的BTI（正偏压温度不稳定性），上图是200℃，+20V栅极偏置应力下的阈值电压变化图。从图中可以看出，在栅压，高温和时间的共同作用下，器件的阈值电压慢慢升高，当然，这个升高相对来讲比较弱。

BTI（NBTI/PBTI）有什么危害？

阈值电压变小，使得误导通风险变大。

阈值电压变大，我们知道跨导正比于（Vgs-Vth），Vth变大，跨导变小，Rdson就增大，器件损耗升高。

阈值电压漂移的原理是什么？目前主要的解释有两方面：内在的和外在的。

外在的原因解释是半导体制造过程中，会不可避免地引入可动离子（Nm），主要是钠和钾，通常在200 ℃左右，可动离子被激活，在电场的驱动下产生迁移，影响Vth 的漂移。

内在的原因主要是界面陷阱和氧化物陷阱，SiC MOSFET 中的陷阱类缺陷引起器件不稳定性所遵循的物理机制是氧化层陷阱的电荷俘获隧穿模型。

2012 年，美国学者Lelis 等人提出了这一模型，并分析了隧穿运动的两种类型[39]。第一种类型，两步隧穿机制，即在施加外界影响因素后，载流子首先被界面陷阱捕获，然后隧穿过SiC/SiO2 界面，载流子被释放到氧化物一侧后，再被氧化物陷阱捕获，氧化物陷阱处于充电状态，或者反过来，载流子由氧化物一侧隧穿回到沟道中，氧化物陷阱处于放电状态。

其中，界面态中的快态陷阱和慢态陷阱都会具有隧穿的作用，作为“中介”辅助载流子隧穿到氧化物中被陷阱俘获；第二种类型，直接隧穿机制，即沟道载流子可以不通过界面陷阱这一“中介”，有一定的概率可以直接通过SiC/SiO2 界面进出SiO2 一侧，从而引起Vth 漂移。

如何降低Vth漂移的影响？

1：设计阶段提升器件的栅压。

2：使用时降低栅极应力，比如使用较小绝对值的负压。