今天这篇文章来自北航，研究InfineonSiCMOSFET短路失效机制，
先介绍背景，
以SiC、GaN为代表的宽禁带半导体器件正在逐步扩大商业化应用范围，应用于各种功率转换领域，而过去十余年，航空航天领域正逐渐向电气化转型，多电飞机（MEA）和电力推进飞机（EPA）是典型产物，这两者从根本上改变了飞机的架构，基于化石燃料的动力系统，开始转变为电力驱动系统。
在航天电源系统中，功率密度更高的SiC器件目前更具应用优势，以MEA电源系统为例，高压交流总线通常为115V或230V，而高压直流总线可达270V，相比GaN器件（目前商用电压范围为40V至650V，且对电磁干扰或短路故障更敏感），1.2kV、导通电阻低于45mΩ的SiCMOSFET成为MEA电源系统的优选。
航空应用对SiCMOSFET的可靠性提出更高要求，尤其是短路能力，因为器件必须在宽环境温度范围内，同时承受高电压和大电流。
例如在MEA典型工作环境中（包括起飞、爬升、巡航、下降和着陆阶段），发动机需承受的环境温度变化范围是−55℃至225℃（即218K至498K），因此有必要研究SiCMOSFET在宽温度范围内的短路能力。
基于此，本文针对Infineon1200V/40mΩ非对称沟槽栅SiCMOSFET产品，研究其在200K至600K环境温度下的短路能力。
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器件结构如上，产品型号AIMW120R045M1，典型导通电阻45mΩ，阈值电压4.5V，
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具体测试设备如上，
栅极驱动电压15V，母线电压400V，短路测试仪放置在温控箱内，温控箱可提供200K至300K的环境温度，更高温度（400K至600K）通过靠近被测器件TO-247封装外壳的陶瓷加热板实现。
测试周期从3μs开始，先以1μs步长增加，后以0.5μs步长增加，直至失效。
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从（a）到（e），依次为InfineonSiCMOSFET产品在200K、300K、400K、500K及600K下的短路波形，在整个温度范围内，器件失效均由栅氧化层损坏引起，即，栅介质退化，无法承受正或负的栅源电压。
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不同环境温度下的短路参数如上，从左到右依次是短路耐量、峰值电流和短路能量，SCWT在200K~300K（300K为室温）时最大，当温度升至400K-600K（127℃-327℃）时，SCWT显著下降，500K时SCWT最短，仅有14.2μs（这里的SCWT远高于商用SiCMOSFET典型3μs短路耐量，原因是1200V器件只用了400V母线电压）。
究其原因，高温会加剧热载流子注入和界面陷阱的产生，短路期间，巨大的功率损耗导致结温急剧升高（后续仿真显示可达868K），严重损害栅氧质量，形成漏电通道，使栅氧提前击穿，从而缩短器件的SCWT。
短路器件的栅压波形可分为三种类型，
1、开通电压适度下降，见图三中的（d）和（e）
2、仅2~3V的正开通电压，负偏置时栅源短路，见图三中的（a）
3、栅极短路，见图三中的（b）和（c）
这又可以用如下图所示的漏电机制解释
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左图为类肖特基接触，右图为类欧姆接触，
类肖特基接触是啥意思？
即，短路产生的高温高压应力下，局部栅氧发生严重退化，形成薄弱点，栅电极材料通过该点，与P-Body直接接触，这种接触并非完美的欧姆接触，而类似于肖特基势垒，I-V特性表现为非线性。
表现在波形上，就是前述第二类栅压波形，
施加正栅压时，肖特基结导通，形成一个2-3V的正向电压降，
施加负栅压时，肖特基结反偏，几乎不导通，表现为栅源短路。
类欧姆接触是啥意思？
这是更严重的失效情况，强大的热电应力导致栅氧损伤区域进一步扩大，使栅电极材料与P-Body之间形成大面积的低阻连接，
类似于电阻值很小的欧姆接触，对应前述第三种栅压波形，
即，无论施加正栅压还是负栅压，电流都可以通过这个低阻路径自由流动，
栅极完全失去对沟道的控制能力，栅源之间表现为一个固定的小电阻，完全短路。栅极电压无法建立，始终接近0V。
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不同环境温度下，对被测器件（DUT）施加一个持续时间为短路耐受时间的单次短路脉冲，器件内部结温随时间的变化仿真结果如上，
五种温度，五条曲线，每条线的峰值温度都远高于环境温度，然而即使是600K环境温度下的曲线，最高器件结温也只有841K，未达到Al的熔点（933K），这从侧面佐证，源极金属熔化并非InfineonSiCMOSFET产品短路失效的原因，而高达868K的结温，为热载流子注入栅氧提供了能量来源，高能载流子击伤栅氧，产生界面陷阱和体陷阱，大幅增加栅漏电，最终导致失效。
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（a）是Infineon的AT-MOS，（b）、（c）是另外两种商用SiCMOSFET，在AT-MOS表面没有明显的烧毁痕迹，侧面印证失效并非由大电流导致的局部过热熔融（如铝线烧断、芯片烧坑）引起，这与另外两种器件表面的烧毁痕迹形成对比。
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如上，（a）~（c）为不同环境温度下，AT-MOS在短路应力前后的CV特性曲线，可以观察到，随着温度升高，短路应力前后，C-V曲线沿电压轴发生越发明显的正向偏移，即，达到相同电容值所需的栅压升高，200K时两条曲线几乎重合，400K时有些偏移，600K时有明显偏移，C-V曲线的正向偏移意味着SiO₂/SiC界面出现大量正电荷，或者可被电子填充的界面陷阱密度增加，当存在大量带负电的界面陷阱（被电子占据）时，为了在半导体表面感应出相同浓度的反型层电荷（以达到相同的电容），必须施加更高的栅极电压，以抵消这些负电荷的屏蔽作用。
为什么温度越高，这效应越明显？
因为温度越高，热电子发射越强，被陷阱捕获的电子越多，于是CV曲线的正向偏移越明显。
C-V曲线的测量可以证明，短路应力确实在栅氧界面引入了可被电子占据的界面陷阱（或近界面的体陷阱，统称为BorderTraps），且这些陷阱的产生或激活效应强烈依赖于温度。
这些被填充的陷阱构成了栅极与沟道/体区之间的漏电路径，陷阱密度越高，漏电越严重，最终导致栅极失控。
（d）为能带图，定性展示在高温下，电子如何被注入并捕获在栅氧界面陷阱中，
关键在于标注emission的红色箭头，
简述这个过程，大概是：
短路期间，沟道和漂移区承受极高的电场和电流密度，产生大量高能载流子（热电子和热空穴），
极高的结温赋予载流子更大的动能，这些具有高能量的热电子克服SiC/SiO₂界面势垒，注入到栅氧中，
一旦进入栅氧，它们很容易被预先存在的或新生成的界面陷阱/体陷阱所捕获。
被陷阱捕获的电子形成固定负电荷，一方面引起CV曲线偏移，另一方面构成从栅极到体区的导电通道，导致失效。
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仿真结果如上，从（a）到（d），依次为电流密度、电场、碰撞电离以及空穴浓度分布，可以看到，最高的电流密度（最亮的区域）集中在沟槽栅底部拐角区域，以及从沟道进入JFET区域（两个P体区之间的N-漂移区颈部）的狭窄通道，电流集中意味着热量的集中，沟槽拐角于是成为器件内部局部热点。
峰值电场同样出现在沟槽拐角附近，这是沟槽MOSFET结构使然。
而高电场会促进载流子的碰撞电离，因此碰撞电离最强的区域同样在沟槽拐角附近，高碰撞电离率意味着在该区域大量产生额外的电子和空穴，这些载流子在高温高场下获得足够能量，注入到栅氧中，与前述过程相映证。
小结：
1、系统评估了环境温度在200K至600K范围内，Infineon沟槽栅SiCMOSFET的短路耐受时间（SCWT）及相关失效机制，限制AT-MOS短路能力的关键因素是与热相关的栅氧化层退化，且沟槽拐角被认为是导致栅极泄漏电流的最脆弱区域。
2、宽温域（尤其是高温下）的短路失效，核心机理是热载流子注入导致的栅氧界面陷阱生成与电荷捕获，这一过程会随温度升高而急剧加速，最终引发功能失效。
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