今天这部分的主题,是ROHM二代SiCMOSFET产品的栅氧可靠性评估
先简单介绍ROHM采用的评估方式
CCSTDDB(ConstantCurrentStressTimeDependentDielectricBreakdown,恒流应力经时介电击穿),施加恒定的栅极电流密度(如10mA/cm²),使其持续通过栅氧化层,电流通过Fowler-Nordheim隧穿或直接隧穿机制流过栅氧化层,使其逐渐退化,持续监测栅电压,随着氧化层缺陷的积累,维持恒定电流所需的栅电压逐渐下降,当发生软/硬击穿时,栅电压出现明显突降。
记录从开始施加电流到击穿所经过的时间,计算通过的总电荷量QBD。
QBD值越高,表明单位面积栅氧在电应力下可承受更大的电荷注入量,缺陷生成速率更低、长期可靠性更优。

如上,CCSTDDB实验结果,栅极电流密度为24mA/cm²,
25℃和150℃两组数据大致重合,表明在恒定栅极电流密度应力条件下,栅氧化层击穿行为对温度变化不敏感,图中标注“LevelofSi-FET”区域,为SiMOSFET的典型QBD水平,SiCMOSFET的QBD水平集中在15~20C/cm²范围内,与SiMOSFET相当,表明在CCSTDDB应力条件下,其栅氧化层介电击穿可靠性已达到硅器件的水平。

接下来是HTPGB(高温正栅偏)
+22V栅源电压、150℃下,ROHM第二代SiCMOSFET的1000小时HTPGB实验Vth变化情况如上,Vth漂移主要发生在应力施加初期(约前200小时),在这段时间,Vth漂移量从0增至0.2V~0.3V,随后Vth趋于饱和,1000小时实验后,Vth漂移量保持在0.2V~0.3V,即正偏压条件下的电子俘获主要发生在应力初期的有限陷阱中,未观察到随时间持续增长的退化行为。
这里提一下,初期Vth正漂对应的微观物理过程大概是:
高温高场下,电子被SiC/SiO₂界面缺陷态(陷阱)所俘获,这些被捕获的负电荷会抵消一部分栅压对沟道的作用,因此需要更高栅压才能开启器件。
可以理解成界面陷阱的填充过程。
后期Vth保持稳定的原因,是容易填充的陷阱已被填满,剩下的陷阱因为能级太深之类的原因,难以被填充,表现在电性能上,就是Vth保持稳定。

接下来是HTNGB(高温负栅偏)
-6V栅源电压、150℃下,ROHM第二代SiCMOSFET的1000小时HTNGB实验Vth变化情况如左图,右图是不同负栅压下,相应的Vth变化量,Vth发生负漂移,且漂移同样主要发生在初期200小时,随后趋于稳定,1000小时后,Vth漂移量约为-0.2V至-0.4V,至于为什么Vth发生负漂移,微观物理过程是:负栅压下,SiC/SiO₂界面或氧化层中的陷阱捕获空穴,被捕获的正电荷增强了栅极对沟道的控制作用,使得开启器件所需的阈值电压降低。
而从右图看,一旦施加的负压绝对值超过-6V,Vth的负漂明显增大,
这大概也是ROHM第二代SiCMOSFET产品负栅压下限设为-6V的原因之一。
小结:
1、ROHM二代SiCMOSFET的QBD水平集中在15~20C/cm²范围内,与SiMOSFET相当,表明在CCSTDDB应力条件下,其栅氧化层介电击穿可靠性已达到硅器件的水平。
2、ROHM第二代SiCMOSFET的1000小时HTPGB实验Vth正漂移量为0.2V~0.3V,主要发生在前200小时。
3、ROHM第二代SiCMOSFET的1000小时HTNGB实验Vth负漂移量为0.2V~0.4V,主要发生在前200小时。
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