SiC_MOSFET的温度特性及结温评估研究进展_吴军科.pdf

=DOI:1013290/jcnkibdtjs202307001July2023Semiconductor Technology Vol48 No7541基金项目:国家自然科学基金资助项目(51967005);广西科技计划项目(桂科 AD20297046)SiC MOSFET 的温度特性及结温评估研究进展吴军科1，李辉1，魏云鹏1，魏向楠1，闫海东2(1 桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林541004;2 浙江大学 杭州国际科创中心，杭州310017)摘要:与 Si 器件相比，SiC 器件具有更加优异的电气性能，新特性给其结温评估带来了新挑战，许多适用于 Si 器件的结温评估方法可能不再适用于 SiC 器件。首先对 SiC 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的温度特性进行了分析，阐述了本征载流子浓度、载流子迁移率等参数受温度的影响机理，分析了器件阻断特性、输出特性、转移特性等参量，以便找到能够表征结温特性的电气参量;然后研究分析了功率器件结温测量的各类方法，并重点阐述了温敏电参数(TSEP)法在 SiC MOSFET 结温评估领域的应用前景，从线性度、灵敏度等 6 个方面对比分析了各方法的优缺点，并指出阈值电压和体二极管压降作为 TSEP 具有显著优势;最后分析了 TSEP法在目前工程应用中面临的挑战，并对未来的研究工作进行了展望。关键词:功率器件;SiC;温度特性;结温评估;温敏电参数(TSEP)中图分类号:TN386.1;TN307文献标识码:A文章编号:1003353X(2023)07054116esearch Progress of Temperature Characteristics and JunctionTemperature Evaluation of SiC MOSFETsWu Junke1，Li Hui1，Wei Yunpeng1，Wei Xiangnan1，Yan Haidong2(1 School of Mechanical and Electrical Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China;2 ZJU-Hangzhou Global Scientific and Technological Innovation Center，Zhejiang University，Hangzhou 310017，China)Abstract:Compared with Si devices，SiC devices have more excellent electrical properties，and thenew characteristics have brought new challenges to the junction temperature evaluation Many junctiontemperature evaluation methods suitable for Si devices may no longer be suitable for SiC devices Firstly，the temperature characteristics of SiC metal oxide semiconductor field effect transistors(MOSFETs)areanalyzed The influence mechanisms of temperature on intrinsic carrier concentration，carrier mobility andother parameters are expounded The blocking-up characteristics，output characteristics，transfer charac-teristics and other parameters of the device are analyzed，in order to find the electrical parameters thatcan characterize the junction temperature characteristics Then，various methods for junction temperaturemeasurement of power devices are investigated and analyzed，and the application prospect of temperature-sensitive electrical parameter(TSEP)method in the field of junction temperature evaluation of the SiCMOSFET is emphatically expounded The advantages and disadvantages of each method are compared andanalyzed from six aspects，such as linearity and sensitivity It is pointed out that threshold voltage andbody diode voltage drop have significant advantages as TSEP Finally，the challenges of TSEP method inengineering application are analyzed，and the future researches are prospected吴军科等:SiC MOSFET 的温度特性及结温评估研究进展=542半导体技术第 48 卷第 7 期2023 年 7 月Keywords:power device;SiC;temperature characteristic;junction temperature evaluation;tem-perature-sensitive electrical parameter(TSEP)EEACC:2560P0引言SiC 作为一种新兴的半导体材料，相比于传统的 Si 材料，具有禁带宽度大、击穿场强高、热导率高等特点。由 SiC 材料制作的功率器件因其在高温、高频、高压、高功率密度等方面具有更加优越的性能12，在航空航天、轨道交通、新能源发电与新能源汽车等领域具有广阔的应用前景。一方面，在电力电子系统的故障中，约 31%是功率器件故障引起的，而功率器件的故障中约 60%与温度相关3;另一方面，根据失效的部位可将功率器件失效分为两大类:芯片失效与封装失效。芯片失效又分为电击穿失效和热击穿失效，研究指出电击穿失效的本质也是由于温度过高而最终引起的热击穿失效4;而封装失效是由于结温过高或长期的热循环造成的，对结温进行主动管理可以提高器件可靠性57。所以研究 SiC 功率器件的温度特性和结温评估方法对功率器件的可靠性提升具有重要意义。已有研究指出，SiC 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的使用温度最高可达 500，在高温下依旧能保持稳定的伏安特性8。与 Si 器件相比，其高温下的工作更稳定，可靠性更高。结温是影响器件功耗和开关特性的主要因素之一，过高的结温以及短时间内的大幅度结温变化都可能导致器件损伤或失效，准确的结温评估为功率器件的智能控制、可靠性评估、状态监测以及主动热管理等提供了重要依据9。结温评估的方法可大致分为四大类:热网络法、光学法、物理接触法以及温敏电参数(TSEP)法。TSEP 法是目前被认为最有前景的结温评估方法之一，应用于 Si 功率器件的结温评估已经相对成熟，但在 SiC 功率器件的结温评估中可能不再适用。一方面，由于微观物理参数以及结构的不同，SiC 功率器件的温度特性与 Si 功率器件之间存在差异;另一方面，SiC 功率器件使用在开关频率更高的场合，开关速度更快，电压、电流的变化率更大，使得器件对寄生参数更加敏感10。因此，对SiC 器件进行结温评估时不能照搬 Si 器件结温评估的方法。从已有研究来看，适用于 SiC 功率器件结温评估的方法并不多。本文阐述了 SiC 器件的温度特性研究进展，并将其特性和参数与 Si 器件进行了对比;对 SiC 功率器件的结温评估现状进行了分析总结，重点对TSEP 法进行了梳理;分析了目前 SiC 功率器件结温评估面临的挑战并对未来研究工作进行了展望。1SiC器件的温度特性1.1影响器件特性的主导因素功率器件的特性与能带宽度、本征载流子浓度、载流子迁移率、耗尽层宽度、半导体总电荷、碰撞电离系数、介电常数、电子亲和力等多个物理因素有关11。根据影响程度大小对主导因素进行分析。1.1.1本征载流子浓度热激发条件下，在半导体禁带中产生电子空穴对，决定着本征载流子浓度，其直接影响功率器件泄漏电流的大小，并且具有明显的温敏特性，通过禁带宽度(Eg)、导带态密度(NC)和价带态密度(NV)表征本征载流子浓度(ni)12，即ni=np=NCNVexp(Eg2kT)(1)式中:n 为电子浓度;p 为空穴浓度;k 为玻耳兹曼常数;T 为热力学温度。由于 SiC 的禁带宽度远大于 Si 的，所以 SiC 的本征载流子浓度比 Si 的小得多，这就意味着在 pn 结截止时，二者的泄漏电流存在几个数量级的差异。同时，本征载流子浓度随着温度升高而增大。1.1.2载流子迁移率载流子迁移率是衡量载流子在半导体中发生漂移难易程度的特征量，物理意义是单位场强下载流子发生漂移的平均速率，其受到半导体内的多个参数影响。载流子迁移率可表示为载流子类型(电子或空穴)、掺杂浓度以及结温的函数11，在低掺杂浓度下(小于 1015cm3)，4H-SiC MOSFET 漂移区内载流子迁移率(4H-SiC)与温度的关系为11 吴军科等:SiC MOSFET 的温度特性及结温评估研究进展=July2023Semiconductor Technology Vol48 No75434H-SiC=k1(T300)2.70(2)式中 k1为与材料相关的常数。所以，在漂移区内，载流子的迁移率随着温度的上升而减小。F Jiang 等人13 指出，SiC 功率器件中的 SiO2/SiC 界面陷阱密度非常大，远高于 Si 器件中的 SiO2/Si 界面陷阱密度，这很大程度上影响了载流子迁移率，并且会严重影响 SiC 器件的性能和可靠性。虽然SiO2在 SiC 上的热氧化理论与 Si 类似，但 SiC 氧化过程中碳的存在导致界面陷阱密度比 SiO2/Si 界面高约 3 个数量级14。目前比较有效地减小 SiC/SiO2界面陷阱密度的工艺是高温氮钝化，可以有效提高器件可靠性15。而界面质量是影响沟道内载流子迁移率的一个重要因素，它通过多种散射机制直接降低沟道内载流子迁移率16。另外，Si MOS-FET 的沟道内载流子迁移率随温度升高而降低，而SiC MOSFET 的沟道内载流子迁移率随温度升高而增加17。1.1.3耗尽层宽度在 p 型衬底的器件上加正偏压时，半导体内会形成一个耗尽区，耗尽区的宽度(WD，MOS)可以表示为12 WD，MOS=4rkTq2NAln(NAni)(3)式中:r为相对介电常数;q 为单位电荷量;NA为掺杂浓度。由式(3)可以得出，耗尽层的宽度受到温度的直接影响。而半导体的特征电容(CS，M)与耗尽层的宽度直接相关，可表示为12 CS，M=rWD，MOS(4)所以，器件的特征电容也具有温度依赖性，温度上升，耗尽层宽度增大，特征电容减小。同时，由于特征电容是器件本体寄生参数，其特性受到多方面的综合影响11。1.1.4半导体总电荷半导体的总电荷(QS)可表示为12 QS=2rkTpexpqB2kT()(5)式