從Tesla削減75%碳化硅用量的市場猜想看功率器件技術(shù)進(jìn)步中可靠性測試的挑戰(zhàn)

  前言

  2021年，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)被正式寫入“十四五”規(guī)劃與2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)中;2022年上半年，科技部國家重點研發(fā)計劃“新型顯示與戰(zhàn)略性電子材料”重點專項2022年度項目中，再對第三代半導(dǎo)體材料與器件的7個項目進(jìn)行研發(fā)支持。而此前已經(jīng)有一系列政策相繼出臺。市場與政策的雙輪驅(qū)動下，聚焦市場化的應(yīng)用，作為代表性材料，碳化硅(SiC)在新能源電動車領(lǐng)域正如火如荼。

  而近日，全球電動車大廠特斯拉(Tesla)突然宣布，下一代電動車傳動系統(tǒng)碳化硅(SiC)用量將削減75%，這消息直接激起發(fā)展如日中天的碳化硅行業(yè)的千層浪。

  碳化硅(SiC)之所以被電動車大量采用，因具有“高耐壓”、“低導(dǎo)通電阻”、“高頻”這三個特性，相較硅基半導(dǎo)體更適合車用。首先，從材料特性上看，碳化硅(SiC)具有更低電阻，電流傳導(dǎo)時的功率損耗更小，不僅使電動車電池電量得到更高效率的使用，而且降低傳統(tǒng)高電阻產(chǎn)生熱的問題，降低散熱系統(tǒng)的設(shè)計成本。

  其次，碳化硅(SiC)可承受高電壓達(dá)1200V，減少硅基半導(dǎo)體開關(guān)切換時的電流損耗，解決散熱問題，還使電動車電池使用更有效率，車輛控制設(shè)計更簡單。第三，碳化硅(SiC)相較于傳統(tǒng)硅基(Si)半導(dǎo)體耐高溫特性更好，能夠承受高達(dá)250°C，更適合高溫汽車電子的運作。

  最后，碳化硅(SiC)芯片面積具耐高溫、高壓、低電阻特性，可設(shè)計更小，多出來的空間讓電動車乘坐空間更舒適，或電池做更大，達(dá)更高行駛里程。

  TESLA

  而Tesla的一紙宣言，引發(fā)了行業(yè)對此進(jìn)行的多種分析和解讀，基本可以歸納為以下幾種理解：

  01 特斯拉宣稱的75%指的是成本下降或面積下降。從成本角度看，碳化硅(SiC)的成本在材料端，2016年6英寸碳化硅(SiC)襯底價格在2萬元一片，現(xiàn)在大概6000元左右。從材料和工藝來講，碳化硅良率提升、厚度變薄、面積變小，能縮減成本。從面積下降來看，特斯拉的碳化硅(SiC)供應(yīng)商ST最新一代產(chǎn)品面積正好比上一代減少75%。

  02 整車平臺升級至800V高壓，改用1200V規(guī)格碳化硅(SiC)器件。目前，特斯拉Model 3采用的是400V架構(gòu)和650V碳化硅MOS，如果升級至800V電壓架構(gòu)，需要配套升級至1200V碳化硅MOS，器件用量可以下降一半，即從48顆減少到24顆。

  03 除了技術(shù)升級帶來的用量減少外，還有觀點認(rèn)為，特斯拉將采用硅基IGBT+碳化硅MOS的方案，變相減少碳化硅的使用量。

  從硅基(Si)到碳化硅(SiC)MOS的技術(shù)發(fā)展與進(jìn)步進(jìn)程來看，面臨的最大挑戰(zhàn)是解決產(chǎn)品可靠性問題，而在諸多可靠性問題中尤以器件閾值電壓(Vth)的漂移最為關(guān)鍵，是近年來眾多科研工作關(guān)注的焦點，也是評價各家 SiC MOSFET 產(chǎn)品技術(shù)可靠性水平的核心參數(shù)。

  碳化硅SiC MOSFET的閾值電壓穩(wěn)定性相對Si材料來講，是比較差的，對應(yīng)用端的影響也很大。由于晶體結(jié)構(gòu)的差異，相比于硅器件，SiO2-SiC 界面存在大量的界面態(tài)，它們會使閾值電壓在電熱應(yīng)力的作用下發(fā)生漂移，在高溫下漂移更明顯，將嚴(yán)重影響器件在系統(tǒng)端應(yīng)用的可靠性。

  由于SiC MOSFET與Si MOSFET特性的不同，SiC MOSFET的閾值電壓具有不穩(wěn)定性，在器件測試過程中閾值電壓會有明顯漂移，導(dǎo)致其電性能測試以及高溫柵偏試驗后的電測試結(jié)果嚴(yán)重依賴于測試條件。因此SiC MOSFET閾值電壓的準(zhǔn)確測試，對于指導(dǎo)用戶應(yīng)用，評價SiC MOSFET技術(shù)狀態(tài)具有重要意義。

  根據(jù)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)戰(zhàn)略聯(lián)盟目前的研究表明，導(dǎo)致SiC MOSFET的閾值電壓不穩(wěn)定的因素有以下幾種：

  01 柵壓偏置

  通常情況下，負(fù)柵極偏置應(yīng)力會增加正電性氧化層陷阱的數(shù)量，導(dǎo)致器件閾值電壓的負(fù)向漂移，而正柵極偏置應(yīng)力使得電子被氧化層陷阱俘獲、界面陷阱密度增加，導(dǎo)致器件閾值電壓的正向漂移。

  02 測試時間

  高溫柵偏試驗中采用閾值電壓快速測試方法，能夠觀測到更大比例受柵偏置影響改變電荷狀態(tài)的氧化層陷阱。反之，越慢的測試速度，測試過程越可能抵消之前偏置應(yīng)力的效果。

  03 柵壓掃描方式

  SiC MOSFET高溫柵偏閾值漂移機理分析表明，偏置應(yīng)力施加時間決定了哪些氧化層陷阱可能會改變電荷狀態(tài)，應(yīng)力施加時間越長，影響到氧化層中陷阱的深度越深，應(yīng)力施加時間越短，氧化層中就有越多的陷阱未受到柵偏置應(yīng)力的影響。

  04 測試時間間隔

  國際上有很多相關(guān)研究表明，SiC MOSFET閾值電壓的穩(wěn)定性與測試延遲時間是強相關(guān)的，研究結(jié)果顯示，用時100μs的快速測試方法得到的器件閾值電壓變化量以及轉(zhuǎn)移特性曲線回滯量比耗時1s的測試方法大4倍。

  05 溫度條件

  在高溫條件下，熱載流子效應(yīng)也會引起有效氧化層陷阱數(shù)量波動，或使SiC MOSFET氧化層陷阱數(shù)量增加，最終引起器件多項電性能參數(shù)的不穩(wěn)定和退化，例如平帶電壓VFB和VT漂移等。

  根據(jù)JEDEC JEP183:2021《測量SiC MOSFETs閾值電壓(VT)的指南》、T_CITIIA 109-2022《電動車輛用碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(SiC MOSFET)模塊技術(shù)規(guī)范》、T/CASA 006-2020 《碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管通用技術(shù)規(guī)范》等要求，目前，武漢普賽斯儀表自主開發(fā)出適用于碳化硅(SiC)功率器件閾值電壓測試及其它靜態(tài)參數(shù)測試的系列源表產(chǎn)品，覆蓋了現(xiàn)行所有可靠性測試方法。

  針對硅基(Si)以及碳化硅(SiC)等功率器件靜態(tài)參數(shù)低壓模式的測量，建議選用P系列高精度臺式脈沖源表。P系列脈沖源表是普賽斯在經(jīng)典S系列直流源表的基礎(chǔ)上打造的一款高精度、大動態(tài)、數(shù)字觸摸源表，匯集電壓、電流輸入輸出及測量等多種功能，最大輸出電壓達(dá)300V，最大脈沖輸出電流達(dá)10A，支持四象限工作，被廣泛應(yīng)用于各種電氣特性測試中。

  01  P300高精度脈沖源表

  - 脈沖直流，簡單易用

  - 范圍廣，高至300V低至1pA

  - 最小脈沖寬度200μs

  - 準(zhǔn)確度為0.1%

  針對高壓模式的測量，普賽斯儀表推出的E系列高壓程控電源具有輸出及測量電壓高(3500V)、能輸出及測量微弱電流信號(1nA)、輸出及測量電流0-100mA等特點。產(chǎn)品可以同步電流測量，支持恒壓恒流工作模式，同事支持豐富的IV掃描模式。E系列高壓程控電源可應(yīng)用于IGBT擊穿電壓測試、IGBT動態(tài)測試母線電容充電電源、IGBT老化電源、防雷二極管耐壓測試等場合。其恒流模式對于快速測量擊穿點具有重大意義。

  02  E系列高電壓源測單元

  - ms級上升沿和下降沿

  - 單臺最大3500V電壓輸出(可擴展10kV)

  - 測量電流低至1nA

  - 準(zhǔn)確度為0.1%

  針對二極管、IGBT器件、IPM模塊等需要高電流的測試場合，普賽斯HCPL系列高電流脈沖電源，具有輸出電流大(1000A)、脈沖邊沿陡(15μs)、支持兩路脈沖電壓測量(峰值采樣)以及支持輸出極性切換等特點。

  03  HCPL 100高電流脈沖電源

  - 輸出電流達(dá)1000A

  - 多臺并聯(lián)可達(dá)6000A

  - 50μs-500μs的脈沖寬度可調(diào)

  - 脈沖邊沿陡(典型時間15us)

  - 兩路同步測量電壓(0.3mV-18V)

  未來，普賽斯儀表基于國產(chǎn)化高精度數(shù)字源表(SMU)的測試方案，以更優(yōu)的測試能力、更準(zhǔn)確的測量結(jié)果、更高的可靠性與更全面的測試能力，聯(lián)合更多行業(yè)客戶，共同助力我國半導(dǎo)體功率器件高可靠高質(zhì)量發(fā)展。

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