1200V平面型SiC MOSFET短路失效模式与机理研究学术报告

一、主要作者及研究机构
本研究的通讯作者为重庆邮电大学光电工程学院的Sheng Gao，合作团队包括重庆邮电大学、华润微电子（重庆）有限公司及西安电子科技大学的研究人员。研究成果发表于2024年的《Journal of Semiconductors》第45卷第12期，标题为《Short-circuit failure modes and mechanism investigation of 1200 V planar SiC MOSFETs》。

二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于第三代半导体碳化硅（SiC）功率器件可靠性领域，聚焦于SiC金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFETs）的短路失效机制。
研究动机：商用SiC MOSFETs因芯片尺寸小、电流密度高，短路耐受时间显著短于传统硅基器件（如Si IGBT），而短路耐受能力是电动汽车、电力转换电路等应用的关键指标。现有研究多关注400V条件下的失效，但高电压（如800V）下的失效机制尚不明确。
研究目标：揭示1200V平面型SiC MOSFETs在400V与800V直流偏压下的短路失效机理，并提出增强器件短路鲁棒性的策略。

三、研究流程与方法
1. 实验设计
- 研究对象：两款商用1200V平面型SiC MOSFETs（产品A：额定电流36A；产品B：32A）。
- 测试条件：
- 400V测试：栅极驱动电压+15V/−5V，脉冲宽度从1μs以0.5μs步长递增至失效。
- 800V测试：脉冲宽度从1μs以0.25μs步长递增，监测热失控现象。
- 测试平台：搭建单脉冲短路测试系统（图1），包含直流电源、电路断路器、寄生参数（电感/电容）模拟等。

2. 失效分析与表征
- 表面观察：通过激光开盖技术暴露芯片内部结构，对比400V与800V失效后的表面形貌（图4）。
- 电学检测：使用Keysight B1505A半导体分析仪测量栅-源漏电流（IGSS）和漏-源漏电流（IDSS），定位失效点（图5）。
- 微观分析：聚焦离子束-透射电镜（FIB-TEM）对热点区域进行截面分析，观察栅极介质层裂纹（图7）。

3. 电热-机械耦合仿真
- 模型构建：基于TCAD软件建立SiC MOSFETs单元结构（图8），参数包括外延层厚度（13μm）、掺杂浓度（9×10¹⁵ cm⁻³）等，引入温度依赖的物理模型（如Okuto-Crowell碰撞电离模型）。
- 仿真验证：对比400V与800V下的短路电流波形（图9、图11），分析温度分布（图10）和电场强度（图12）。

四、主要研究结果
1. 400V短路失效机制
- 实验现象：产品A在11.5μs时发生栅-源短路（图2a），产品B耐受时间达20μs（图2b）。失效后栅-源电阻（RGS）降至1.9Ω，漏-源电阻（RDS）为∞，表明仅栅-源通路导通。
- 机理分析：FIB-TEM显示栅极介质层存在裂纹（图7）。仿真表明，JFET区域温度达1300K（图10b），导致铝（Al）源极金属熔化并渗入裂纹，形成导电通路。

2. 800V短路失效机制
- 实验现象：产品A在2.75μs时发生热失控（图3a），电流骤升至290A后无法关断。失效后所有电极间电阻均降至1Ω以下，芯片表面金属熔融（图4b）。
- 机理分析：仿真揭示SiC/SiO₂界面垂直电场峰值达3.29 MV/cm（图12a），热载流子注入导致栅氧退化，器件失去关断能力。

五、研究结论与价值
科学价值：
1. 首次明确区分了400V与800V下SiC MOSFETs的短路失效机制：400V为机械应力诱导的栅-源短路，800V为热载流子效应引发的栅氧退化。
2. 提出优化方向：400V下可采用高熔点金属（如铂，Pt）替代Al源极；800V需改进封装或热管理系统以增强散热。

应用价值：为高电压SiC MOSFETs的可靠性设计提供了理论依据，对电动汽车、光伏逆变器等领域的功率器件选型具有指导意义。

六、研究亮点
1. 创新性发现：揭示了800V下栅氧退化这一非传统失效模式，突破了以往寄生晶体管激活的理论框架。
2. 方法学贡献：结合FIB-TEM微观分析与电热-机械耦合仿真，建立了从现象到机理的完整研究链条。
3. 工程指导性：提出的Pt金属层方案和热管理优化策略可直接应用于器件制造工艺。

七、其他有价值内容
- 对比研究：通过两款产品（A/B）的短路饱和电流差异，验证了电流密度对失效时间的直接影响（产品B耐受时间翻倍）。
- 技术细节：校准了仿真中的热接触电阻（0.034 K·cm²/W）与材料热膨胀系数（Al：23.2×10⁻⁶ K⁻¹），确保模型准确性。

（注：全文术语首次出现时保留英文原词，如FIB-TEM、TCAD等）