本研究题为《考虑短路与雪崩击穿故障中热失控失效的碳化硅双注入MOSFET行为建模》，由吴一凡、李驰、郑泽东（通讯作者）、王连忠、赵文贤、邹其峰共同完成。第一作者单位为清华大学电机工程系，合作单位包括北京智芯微电子科技有限公司。该研究于2024年3月6日发表在开放获取期刊《Electronics》（卷13，第5期，文章编号996）。
该研究属于功率半导体器件建模与可靠性分析领域。随着碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）因其优异的物理特性在电动汽车电机驱动器、充电桩等高功率密度、高效率电力电子系统中日益普及，其可靠性问题，尤其是短路和雪崩鲁棒性相较于传统硅绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的不足，成为了大规模应用的主要障碍。研究指出，热失控是SiC MOSFET在短路故障中38%的失效原因，同时也是雪崩击穿故障中的主要失效机制。然而，现有的行为模型多聚焦于非极端工况下的静态与动态特性模拟，缺乏能够同时精确模拟短路与雪崩击穿故障、并能描述其中热失控失效物理过程的通用模型。因此，本研究旨在提出一个基于单元级物理过程的SiC DMOSFET行为模型，该模型能够高精度模拟这两种故障，并精确预测器件的短路耐受时间与临界雪崩能量，从而为电路设计者提供便利的故障仿真与保护电路验证工具，并为器件设计者提供直观的可靠性优化分析手段。
研究的详细工作流程可分为五个主要步骤。
第一步：建立物理基础——基于有限元仿真的故障过程与失效机理分析。 为了阐明模型的物理基础，研究团队首先在Synopsys Sentaurus TCAD软件中建立了一个二维有限元单元模型，该模型根据商用器件C2M0080120D的实际结构构建，并通过离子注入模拟完成了各区域的掺杂分布。模型选用了包括漂移扩散模型、Masetti迁移率模型、Bologna大学接口迁移率模型、Okuto-Crowell碰撞电离模型以及热力学模型在内的多种物理模型，以确保仿真能揭示真实的微观物理过程。模型模拟的导通电阻和击穿电压与实测数据的相对误差分别约为1.6%和2.3%，证明了其描述物理过程的可靠性。随后，利用该模型分别进行了短路测试和非钳位感性开关测试的仿真。
通过分析仿真获得的电流电压波形以及单元级物理量分布，研究详细阐述了两种故障下的物理过程。短路故障可分为三个阶段：关断阶段、导通阶段（电流因温度升高导致的迁移率下降而先升后降）和关断后的拖尾电流阶段。雪崩击穿故障在UIS测试中可分为四个阶段：关断阶段、导通阶段、雪崩击穿阶段和恢复阶段。在雪崩阶段，电流路径从沟道转变为P-well区底部的PN结。
更重要的是，研究结合仿真结果与现有文献，深入探讨了热失控失效机理。对于短路故障，研究否定了源极金属熔化为失效根源的观点，因为仿真和实验均观察到了延迟的热失控现象（栅压关断后电流先保持低值再骤升），表明失效发生在半导体层面。研究支持主流观点，即高温产生的不可忽略的泄漏电流（包括沟道泄漏电流、热产生电流和寄生双极结型晶体管电流）触发了正温度反馈，最终导致热失控。有限元仿真结果清晰地展示了失效发生时，泄漏电流不仅流经沟道，也流经P-well区底部，且电流密度远高于未失效情况，同时晶格温度在栅压关断后仍保持上升趋势，证实了正反馈的存在。
对于雪崩击穿故障，研究综述了四种主流失效机制：超过碳化硅本征温度极限、源极金属熔化、阈值电压随温度降低导致沟道激活、以及寄生BJT在高温下闩锁。通过分析，研究认为碳化硅的本征温度限值在雪崩过程中难以达到；而源极金属（如铝）的熔化更可能是一个诱因或前兆，而非直接原因，因为在源极接触点处有高熔点的镍层隔离铝和碳化硅。因此，半导体层面的失效机制（如沟道激活或寄生BJT闩锁）可能是紧随金属熔化之后的直接原因，但确切的直接机制仍需进一步验证。基于此，研究提出从外部特性看，雪崩失效类似于源漏间发生短路。
第二步：构建模型工作原理。 基于上述物理分析，研究定义了SiC DMOSFET在两种故障中可能处于的五种工作状态：关断态、导通态、泄漏电流态、雪崩击穿态和雪崩失效态。模型电路由两部分组成：描述导通态和关断态的传统SiC MOSFET行为模型（包含压控电流源Imos、寄生电容Cgs/Cgd/Cds、体二极管D、栅电阻Rg和漂移区电阻Rd），以及多个用于描述其他状态的并联扩展支路。具体包括：一个受控电流源Ileak来描述泄漏电流态；一个由温控电压源Ubr和受控开关Sbr组成的支路来模拟雪崩击穿态；一个由温控开关Sf组成的支路来模拟雪崩失效态。其中，雪崩失效开关Sf的控制逻辑被设定为：当结温超过临界阈值温度Tcrit（表征源极金属熔化）并持续一个短暂时间Tfd（表征后续未确定的半导体失效机制）后，Sf闭合且不可恢复。这种建模方法在保证当前认知下准确性的同时，便于未来机理明确后进行修改和完善。模型中还集成了一个14阶Cauer热网络来估算动态结温，其参数来源于器件厂商提供的SPICE模型。
第三步：详述模型参数计算。 本模型的核心特点之一是力求基于物理机制进行参数计算，以增强模型的通用性和准确性。研究详细阐述了模型中各关键组件和参数的物理模型与计算方法。传统行为模型部分，沟道电流Imos采用考虑沟道长度调制效应的理想MOS结构公式计算。寄生电容Cgd和Cds通过经验公式拟合数据手册获得。体二极管简化为理想二极管。漂移层电阻Rd被细致地建模为JFET区电阻、电流扩散层梯形电阻和均匀电流层电阻三部分之和，其计算考虑了耗尽层宽度、载流子迁移率等物理量的温度依赖性。
扩展模型部分，泄漏电流Ileak主要考虑起主导作用的热产生电流，采用了基于本征载流子浓度、载流子寿命和结面积的物理公式。雪崩击穿电压的计算方法引用自团队先前的工作。最为关键的是，模型深入建模了随温度剧烈变化的关键物理参数：1）本征载流子浓度ni，基于其定义公式，并考虑了碳化硅禁带宽度随温度的变化；2）阈值电压Vt，公式中包含了栅氧固定电荷、界面陷阱电荷（其计算详见附录）以及表面电势修正；3）载流子迁移率，综合考虑了体迁移率、声子散射、表面粗糙度散射和界面陷阱库仑散射四种物理机制。沟道电子迁移率μch需全部考虑这四种机制，而用于计算Rd的JFET区和漂移区电子迁移率μn则主要考虑体迁移率。这些参数的计算大量依赖于器件的结构参数和材料属性，而非单纯的数据拟合。
第四步：模型验证。 研究选择Wolfspeed公司的商用SiC DMOSFET C2M0080120D作为建模和验证对象。所有仿真在MATLAB/Simulink中完成。验证分为三个方面：首先，静态特性验证显示，模型在Vgs=20V， Id=20A时模拟的导通电阻为95.8 mΩ，相对误差6.4%；在300K和423K下模拟的阈值电压相对误差仅为0.2%和0.5%，证明了基础静态特性的准确性。其次，通过搭建实际的短路测试平台（直流电源电压400V，栅压-5/+20V），对比了不同脉冲宽度下的实验与仿真波形。结果表明，模型能够精确模拟短路电流的三个阶段，包括电流下降和拖尾电流现象。特别是在失效案例中，模型成功预测了短路耐受时间，仿真值为6.42μs，与实验值6.40μs高度吻合，并再现了热失控发生时电流在栅压关断后再次急剧上升的特征。最后，进行了非钳位感性开关测试验证。在未失效情况下，模型准确模拟了雪崩击穿期间的电压钳位和电流衰减波形。在失效验证中，通过设置合理的临界温度Tcrit和失效延迟时间Tfd，模型成功复现了实验观察到的现象：在雪崩能量积累到临界值后，漏源电压突然跌落至接近零，电流再次上升，模拟的临界雪崩能量与实验测量值一致。
第五步：得出研究结论并阐述价值。 本研究成功构建了一个基于物理的、全面的SiC DMOSFET行为模型。该模型首次在同一框架内同时考虑了短路与雪崩击穿两种极端故障，并集成了对两者中热失控失效过程的描述。模型的创新性在于其深厚的物理基础——通过有限元仿真厘清了单元级物理过程，并基于此和现有研究构建了失效机理，进而指导了模型架构和参数计算。验证结果表明，模型在静态、短路及雪崩工况下均表现出极高的精度，能够可靠地预测短路耐受时间和临界雪崩能量。
该研究的科学价值在于，它为解决SiC MOSFET故障模拟与失效预测的长期挑战提供了一个更完整、更具通用性的建模框架。与现有模型相比，它克服了仅涵盖单一故障、缺乏物理基础或无法表征失效现象等弱点。在应用价值上，对于器件用户和系统设计者，该模型可作为便捷的工具，用于在系统设计中仿真极端工况、验证保护电路设计、评估器件在应用中的鲁棒性，从而提升系统可靠性。对于器件设计者，该模型能够直观、快速地分析单元级设计参数对器件故障特性的影响，指导从设计层面提升器件的抗短路和抗雪崩能力。
研究亮点主要包括：1）研究目标的特殊性：聚焦于SiC MOSFET在短路和雪崩这两种最严酷故障下的行为与失效，这是当前可靠性研究的核心难点。2）方法论的新颖性与系统性：创造性地将TCAD有限元仿真（用于揭示微观物理机理）与行为级模型构建（用于实现快速电路仿真）深度结合，形成了从物理机理到实用模型的完整研究链条。3）模型架构的完整性：明确定义五种工作状态，并通过主模型加并联支路的创新电路结构实现了对全部状态的统一描述，特别是对雪崩失效态的简化建模具有实用巧思。4）参数计算的物理化：模型核心参数（如迁移率、阈值电压、泄漏电流）尽可能采用基于半导体物理的公式进行计算，而非纯粹的经验拟合，这显著增强了模型的预测能力和在不同工况下的泛化能力。5）验证的充分性：不仅验证了静态特性，更通过搭建实验平台，对短路故障的各个阶段、短路耐受时间以及雪崩失效的临界能量进行了全面的实验-仿真对比验证，数据支撑坚实。