摘 要：
本文深入探讨了Rohm公司生产的、具有1.2千伏耐压、80毫欧电阻的先进硅碳化物双沟道金属氧化物半导体场效应晶体管在短路情况下的性能。通过短路测试，比较了Wolfspeed公司生产的同类额定性能的1.2千伏耐压、80毫欧电阻平面型MOSFET与Rohm公司的沟道型MOSFET在短路条件下的表现。在室温下的正常工作条件下，通过破坏性短路测试测量了两种器件的短路耐受时间。
引言
由于SiC具有优于硅材料的特性，SiCMOSFET开始成为替代硅IGBT的有前景的器件。由于取消了JFET区域，SiCMOSFET具有更好的通道性能和低输入电容特性，其导通电阻和开关损耗都比平面型MOSFET低得多。虽然其在正常工作条件下的性能有所提升，但在异常工作条件下分析这种沟槽结构的器件特性仍然非常重要。短路是一种在电力电子系统中常见的故障情况，例如电机驱动装置。在发生短路时，开关器件会承受严重的电热应力。从应用的角度来看，期望该器件能够在保护电路介入之前承受这种应力一段时间。这一特性可以用“短路”参数来表示。在特定的运行条件下，耐电时间(SCWT)是一个重要的参数。虽然这个参数通常在数据表中没有明确说明，但对于电力电子系统设计的工程师来说，合理控制短路持续时间是非常关键的。
SCWT的性能取决于各种操作条件，如漏极偏压、栅极偏压、封装温度，以及单元设计参数，比如沟道长度、沟道掺杂程度、界面陷阱的密度等。这些参数对于平面MOSFET而言已经被广泛研究过[3-6]。双沟道单元设计是一种相对新的MOSFET设计方式，它在传统沟道沟道的基础上增加了源极沟道，以此来限制栅极氧化层附近的电场强度，从而提高氧化层的可靠性[7]。
静态特性的比较
在本节中，我们对来自Wolfspeed公司的TO-247封装平面MOSFET(型号C2M0080120D)以及来自Rohm公司的沟槽MOSFET(型号SCT3080KL)分别进行了测试。通过曲线追踪法，我们得出了这两种器件的静态导通状态、转移特性以及体二极管特性，结果如图1所示。两种器件在平均情况下的阻断电压都接近1650伏特。可以看出，在20安培的工作电流下，这两种器件的导通状态特性是相似的。然而，在更高的漏电流下，这两种器件之间存在差异。经过线性外推后，发现沟槽式器件的饱和漏电流比平面式器件要高。在较高的漏电流下，沟槽式器件的体二极管效率较低(见图1)，这降低了其瞬态电流承受能力。沟槽式MOSFET的阈值电压比平面式器件要高，这使得沟槽式MOSFET在意外导通时具有更高的抗噪声能力[7]。关于几何学的问题沟道MOSFET的阈值电压比平面型MOSFET要高，这使得沟道MOSFET在意外导通时具有更高的抗噪声能力[7]。沟道MOSFET的漂移区厚度比平面型MOSFET要厚2μm至3μm。通过扫描电子显微镜对沟道MOSFET的截面进行观察，可以测量出漂移区的厚度。
TCAD仿真分析
进行了全面的仿真研究，以探讨晶胞结构对SC性能的影响。沟道MOSFET采用SentaurusTCAD器件仿真模型进行建模，并经过校准，以匹配实际测量的导通性能。该模型还被用于热电混合模式仿真，如图2所示，以评估SC性能。晶胞结构是根据扫描电子显微镜图像设计的，其尺寸经过调整，使得特定导通电阻达到4.1毫欧姆厘米。同样，平面沟道MOSFET也进行了建模，以匹配实际测量性能。在热边界条件为漏极温度300K的情况下，两种MOSFET在混合模式仿真后的最大晶格温度曲线如图3所示。在给定时间内，沟道晶胞内的温度比平面晶胞内的温度要低。该设备中的温度分布位于平面MOSFET中的JFET区域附近。在沟槽设计中，最高温度出现在沟槽栅极下方。由于没有JFET区域的存在，沟槽设计中的电流扩散效果似乎更好。
SC特性的比较
短路测量的实施是通过一个主要由电容器组组成的电路来完成的，这样可以使电感降至最低。待测试的MOSFET被安装在测试设备的PCB上，并配备了栅极驱动器(见图4)。在图5中可以观察到，栅极偏压V和直流链路电压Von对这两种结构的SC电流的影响。在研究的沟槽MOSFET中，电流I的上升速率比平面MOSFET要慢，这一点在图5的t1时间间隔中可以看出。这导致SC事件初期温度上升较慢。此外，沟槽结构的器件自热效应也较低。在V=18V时，尽管两种结构的峰值电流看起来相似，但沟槽MOSFET达到峰值电流的时间却要慢一些，因此其加热速度也较慢。而在较低的栅极电压V=16V时，平面MOSFET的峰值电流则更高。由于平面MOSFET的阈值电压较低(参见图1)。在V=800V和V=20V时，平面MOSFET的SCWT为4.5微秒。该器件发生破坏性失效，失效原因似乎是局部热点的形成，正如文献[4]中所描述的那样。TCAD仿真表明，平面MOSFET的JFET区域温度较高(参见图3)，这很可能是热点的位置。图5(右侧)显示了沟槽MOSFET的SC电流情况。在V=800V和V=18V时，SCWT测量值为4.8微秒(根据制造商推荐的最大栅极偏压)。该器件的失效属于软性失效，表现为栅源短路。在SC脉冲关闭过程中，漏电流或尾电流(参见图5右侧)随着SC脉冲持续时间的增加而增加，如图中的箭头所示。这导致在SC脉冲持续时间增加时，栅极电压出现振荡现象，这一现象在测试过程中被观察到。虽然两种器件在额定工作条件(I=20A)下的导通电流相似，但沟道型MOSFET在800伏特电压下能够持续稍长的时间，而平面型MOSFET则无法承受如此长时间的SC脉冲。此外，也有报道指出，在低压(<250伏特)且脉冲持续时间较长(100微秒)的情况下，平面型MOSFET也会发生短路故障。
总结
对性能相当的现代1.2千伏平面型与沟道型MOSFET进行了短路测试。虽然它们的导通电阻相似，但电流额定值和芯片尺寸却有所不同。在初始温度T=300K、直流连接电压V=800伏的情况下，沟道型MOSFETSCT3080KL的短路恢复时间为4.8微秒，而平面型MOSFETC2M0080120D的短路恢复时间为4.5微秒。当栅极电压为20伏时，平面型MOSFET的短路恢复时间较短；而当栅极电压为18伏时，沟道型MOSFET的短路恢复时间较长。从数值模拟结果来看，双沟道设计中的电流扩散情况有所改善，因为JFET区域被省略了，从而减少了局部温度的急剧上升，避免了类似热点的故障发生。而在平面型设计中，JFET区域附近的电流分布较为集中，这使得该区域更容易出现热点现象。为了深入理解电流扩散行为及后续的故障机制，需要进行更详细的结构分析。
如您对我们的产品感兴趣，欢迎联系
我们将为您提供高效、贴心的解决方案！
咨询电话：135 1009 9916（微信同号）
↓ ↓ 点击图片免费领取产品规格书 ↓ ↓ 
想深入了解碳化硅功率器件产品知识？点击→「碳化硅（SiC）课堂」获取详情！
