場效應晶體管短路失效的數值模型

周郁明，蔣保國，陳兆權，王 兵

(安徽工業(yè)大學 安徽省高校電力電子與運動控制重點實驗室，安徽 馬鞍山 243002)

相比傳統的硅材料，第三代半導體材料碳化硅由于具有更高的禁帶寬度、更高的熱導率、更高的電子飽和速度等優(yōu)勢[1-2]，基于碳化硅材料的場效應晶體管更適合于高頻、高溫、高耐壓等功率變換場合。在實際的應用中，功率場效應晶體管經常會遭遇短路事故，尤其是電機驅動系統，在保護電路能夠介于之前，人們希望功率場效應晶體管能夠具有一定的短路抵御能力。然而，由于碳化硅/氧化物界面陷阱密度比硅/氧化物高兩個數量級，為了取得較高的閾值電壓，碳化硅場效應晶體管的氧化層厚度往往設計得比硅場效應晶體管的薄，這使得在高電應力的條件下，碳化硅場效應晶體管的氧化層更容易失效[3]；同時，由于同樣功率等級的情況下，碳化硅場效應晶體管的芯片面積做得比硅場效應晶體管的小，這使得碳化硅場效應晶體管承受了更高密度的電流應力，因而碳化硅場效應晶體管的短路抵御能力比硅場效應晶體管的弱。

自從第一代碳化硅場效應晶體管產品面世以來，大量文獻對碳化硅場效應晶體管的短路特性和失效機理進行了深入的研究。文獻[4-9]討論了環(huán)境溫度、直流母線電壓、短路脈沖的次數等參數對碳化硅場效應晶體管短路特性的影響。文獻[10]總結了碳化硅場效應晶體管的短路失效機理，認為碳化硅場效應晶體管的失效主要有三種原因，分別是氧化層失效、溝道過電流、熱奔。文獻[11-12]利用半導體器件的計算機模擬從器件內部討論了碳化硅場效應晶體管的失效機理，認為短路時器件內部的局部過熱是碳化硅場效應晶體管失效的根本原因。在討論碳化硅場效應晶體管失效機理時，不少文獻提到了場效應晶體管結構中的寄生雙極型晶體管(Bipolar Junction Transistor,BJT)[5-7, 10, 13-16]；這些文獻有的認為高電流應力下寄生雙極型晶體管的導通是觸發(fā)碳化硅場效應晶體管“熱奔”的主要原因；也有文獻認為碳化硅場效應晶體管內建電壓比較高，寄生雙極型晶體管不會導通。同時，文獻[14]詳細討論了晶體管P基區(qū)尺寸、摻雜濃度等參數對處于高電流應力下的碳化硅場效應晶體管寄生雙極型晶體管導通的可能性的影響。

迄今為止，無論是對碳化硅場效應晶體管的結構設計，還是對碳化硅場效應晶體管的特性和機理研究，大多是基于傳統的硅場效應晶體管的理論和技術。因而，在討論碳化硅場效應晶體管的失效機理時，將碳化硅場效應晶體管的短路特性和失效機理與硅場效應晶體管對比分析，可以更加深入和清晰地了解碳化硅場效應晶體管的短路失效機理。筆者以型號為C2M0080120D(1200 V/36 A)的碳化硅場效應晶體管和型號為IXFK32N100P(1000 V/32 A)的硅場效應晶體管為參照對象，借助半導體器件模擬軟件建立了兩種功率場效應晶體管短路失效的數值模型；利用短路實驗驗證了數值模型的準確性，隨后對比了兩種功率場效應晶體管數值模型內部的電流線走向和溫度分布，并結合兩種功率場效應晶體管失效時柵極驅動電壓的變化，深入分析了碳化硅場效應晶體管和硅場效應晶體管的短路失效機理。

1 數值模型的建立

半導體器件模擬軟件所建立的數值模型，是具有一定的幾何結構，定義了各區(qū)域的材料種類和摻雜濃度，并具有相應電極的虛擬器件。利用半導體器件模擬軟件所建立的數值模型進行仿真時，是將器件離散成有限元結構，并將每個相關聯的網格點的性質進行整合，通過計算每一個網格點的電場、電流密度、溫度、產生和復合率等物理量，描繪出器件結構中每一個網格點的特性，并以電壓和電流的外在形式表現出來。利用半導體器件模擬軟件描述短路條件下功率場效應晶體管內部載流子的運動，重要的是引入自熱效應。該效應通過求解熱流方程并設置相應的邊界條件來實現。熱流方程表達式為

(1)

其中，C為單位熱容，κ為熱導率，H為器件所產生的熱，T為局部溫度。在所建立的數值模型中，熱容C采用半導體器件模擬軟件默認的材料參數。熱導率κ與溫度有關，數值模型采用如下的熱導率模型：

(2)

其中,a、b和c為系數，根據文獻[17-18]有關碳化硅和硅熱導率曲線擬合獲取。邊界條件通過定義熱電極來設置，一般為場效應晶體管的漏極。

高電流應力能夠顯著抬升功率場效應晶體管的溫度，直接導致載流子的溫度升高，由此影響了與溫度有關聯的載流子遷移率。為了準確反映數值模型的短路行為，需引入與溫度和摻雜濃度相關的載流子遷移率模型。半導體器件模擬軟件中的Arora載流子遷移率模型合理地描述了載流子遷移率的溫度相關行為，其表達式為

(3)

表1示出了所建立的碳化硅場效應晶體管和硅場效應晶體管數值模型的Arora載流子遷移率模型中的各個參數取值[11]。

表1 場效應晶體管數值模型Arora載流子遷移率模型參數取值

另外，數值模型通過引入載流子的福勒-諾德海姆(Fowler-Nordheim)隧穿和蒲爾-弗朗克(Poole-Frenkel)發(fā)射模擬氧化層的泄漏電流，可以評價場效應晶體管氧化層的退化。半導體/氧化物界面特性對功率場效應晶體管的性能影響也比較大，尤其是碳化硅/氧化物界面固定電荷和界面陷阱電荷，所建立的兩種功率場效應晶體管的數值模型引入了界面固定電荷模型和在能帶內均勻分布的界面陷阱模型。

表2列出了兩種功率場效應晶體管數值模型中的界面固定電荷密度QF和界面陷阱密度QA，其他的關鍵參數取值，諸如氧化層厚度tox、熱阻Rth、式(2)中的三個系數，也在表2中示出。

表2 場效應晶體管數值模型的關鍵參數及其取值

圖1示出了所建立的碳化硅場效應晶體管和硅場效應晶體管二維數值模型結構，包括N襯底、N-漂移區(qū)、P基區(qū)、N+源區(qū)、P+體區(qū)和相應的電極。模型中，N-漂移區(qū)的摻雜濃度和厚度決定了晶體管的擊穿電壓，P基區(qū)摻雜濃度決定了晶體管的閾值電壓，這些參數通過半導體器件模擬軟件依據所參照的兩種型號的功率場效應晶體管的擊穿電壓和閾值電壓來仿真獲取，其他區(qū)域的摻雜濃度和厚度根據現有文獻來選取。

圖1 碳化硅場效應晶體管和硅場效應晶體管的二維數值模型結構

2 模型的驗證

圖2 短路實驗平臺

搭建了如圖2所示的短路實驗平臺。直流偏置電壓由4個耐壓為500 V、容量為1 mF的電容器并聯提供，一個數字信號處理器(Digital Signal Processor,DSP)開發(fā)板提供兩種功率場效應晶體管的柵極控制信號，短路電流由最高測量值為800 A的電流探頭采集。兩種功率場效應晶體管的開通和關斷電壓根據其產品數據手冊設定，C2M0080120D為20 V/5 V，IXFK32N100P為15 V/0 V，柵極驅動電阻都選擇為5.1。

圖3展示了兩種功率場效應晶體管在400 V的直流偏置作用下實驗所測得和數值模型仿真到的短路電流(IDS)、漏源兩端電壓(VDS)、柵極驅動電壓(VGS)的對比，由于實驗中存在著嚴重的電磁干擾以及擔心晶體管爆炸所帶來的破壞力，柵極電流(IGS)沒有采集。從圖3可以看出所建立的數值模型比較合理地再現了兩種功率場效應晶體管的短路失效行為。另外，從圖可以看出，碳化硅場效應晶體管的短路耐受時間為22.4s，硅場效應晶體管為287s，同時，失效前碳化硅場效應晶體管的柵極驅動電壓出現了嚴重的退化，下降了5.2 V左右，而硅場效應晶體管的柵極驅動電壓幾乎沒有退化。

圖3 碳化硅場效應晶體管和硅場效應晶體管短路失效數值模型的驗證

3 結果與討論

圖4 分離功率場效應晶體管短路時電子電流和空穴電流的配置結構

不少文獻的研究結果表明，處于短路應力下的功率場效應晶體管內存在著局部“熱點”，導致晶體管內產生了額外的電子空穴對[11-12]，在直流偏置電壓的作用下，電子空穴對穿過場效應晶體管結構中的P基區(qū)和N-漂移區(qū)組成的PN結，形成泄漏電流[3]。對于正常工作的N溝道場效應晶體管，形成通態(tài)電流的載流子是電子；在短路狀態(tài)下，局部“熱點”產生的電子空穴對所形成的電流是短路電流的一部分，然而空穴不會經過場效應晶體管的N+源區(qū)，為了衡量短路時局部“熱點”所產生的電子空穴對數量的多少，可以從短路電流中分離出空穴電流來判斷，其方法是在功率場效應晶體管的N+源區(qū)旁邊設置一個P+體區(qū)，并配置相應的電極，流過此電極的電流即為空穴電流Ip，Ip和源極的電子電流In一起構成場效應晶體管的短路電流IDS，其配置結構如圖4所示。圖中VDC是直流偏置電壓，VPULSE為柵極驅動電壓，RG為柵極驅動電阻。

圖3所示的兩種功率場效應晶體管的短路電流利用圖4所示的結構分離出來的電子電流和空穴電流如圖5所示，同時，數值模型在短路過程中的局部最高溫度也一起畫出。

圖5 兩種功率場效應晶體管數值模型在短路過程中的電子電流、空穴電流和最高溫度

由圖5可見，兩種功率場效應晶體管在遭遇短路事故后，短路電流以電子電流為主，而空穴電流則隨著晶體管溫度的增加而增加，在臨界失效時刻，即圖中A點所指的時刻，電子電流、空穴電流和晶體管溫度都突然增加，同時，碳化硅場效應晶體管的局部最高溫度為1 913 K，硅場效應晶體管的為1 033 K左右。

前面提及到，已有文獻對碳化硅場效應晶體管短路時其結構中由N-漂移區(qū)、P基區(qū)、N+源區(qū)所組成的NPN雙極型晶體管導通和不導通有不同的看法，但是都沒有給出明確的證據，即使文獻[14]采用數值計算的方法給出了寄生雙極型晶體管導通的可能性，結論也并不確切。半導體器件模擬軟件所建立的數值模型，一個顯著的特點是可以隨時查看器件內的電流走向以及溫度分布。圖6畫出了碳化硅場效應晶體管和硅場效應晶體管在圖3(a)和圖3(b)中臨界失效時刻A點和失效后的B點所對應的晶體管內的電流線，圖7畫出了對應點晶體管內的溫度分布。由圖6可見，在A和B兩個時刻，碳化硅場效應晶體管內的電流有兩個通道，一個是溝道，另外一個是溝道附近的P基區(qū)和N-漂移區(qū)所組成的PN結，沒有從寄生雙極型晶體管穿過的電流，這顯示出碳化硅場效應晶體管在短路失效的過程中寄生雙極型晶體管沒有導通，“熱點”所產生的電子是經過P基區(qū)到達N+源區(qū)，空穴則從N+源區(qū)下的P基區(qū)到達P+源區(qū)。而硅場效應晶體管在短路過程中的電流有三個通道，除了溝道和溝道附近的PN結，還有P基區(qū)下方的PN結，而穿過P基區(qū)下方PN結的電流，正是寄生雙極型晶體管導通所形成的電流，這顯示出硅場效應晶體管在短路失效時，寄生雙極型晶體管出現了導通，并且隨著短路的持續(xù)進行，更多的電流是從寄生雙極型晶體管穿過。圖7的溫度分布顯示，兩種功率場效應晶體管短路時，局部“熱點”位于柵極氧化層下的N-漂移區(qū)，并隨著短路的進行，“熱點”的溫度增加，并轉移到柵極氧化層下方的漂移區(qū)，導致氧化層和表面金屬電極(通常是鋁及其合金)的溫度都比較高；這增強了載流子往柵極氧化層的注入，加速了氧化層的退化；尤其是碳化硅場效應晶體管，一方面柵極氧化層比硅場效應晶體管的氧化層薄，另外一方面氧化層附近的溫度比硅場效應晶體管的高得多，因而碳化硅場效應晶體管柵極氧化層的退化比硅場效應晶體管要嚴重得多。

圖6中硅場效應晶體管寄生雙極型晶體管的導通，是因為N+源區(qū)下方P基區(qū)電流在基區(qū)電阻(RB)上產生的壓降高于PN結的內建電壓(Vbi)。內建電壓是溫度、P基區(qū)和N-漂移區(qū)摻雜濃度的函數，表達式為

(4)

其中k為玻爾茲曼常數，T為溫度，q為基本電荷量，NA和ND分別為P基區(qū)和N-漂移區(qū)的摻雜濃度，ni為本征濃度。

圖7 兩種功率場效應晶體管數值模型的溫度在不同短路時刻的分布

對于硅材料，ni表達式為[19]

ni=3.87×1016T3/2exp(-7.02×103/T) 。

(5)

對于碳化硅材料，ni表達式為[19]

ni=1.70×1016T3/2exp(-2.08×104/T) 。

(6)

根據圖1所示的兩種功率場效應晶體管的摻雜濃度可以畫出兩種材料PN結的內建電壓與溫度的關系曲線，其結果如圖8所示；圖中也畫出了兩種材料內建電壓的差值。由圖可見，兩種材料PN結的內建電壓都隨著溫度的增加而減小，但是硅PN下降得更快一些，而且在整個溫度范圍內，碳化硅PN結的內建電壓比硅的內建電壓至少高出2.5 V。另外，圖5中碳化硅場效應晶體管和硅場效應晶體管在臨界失效點A點的空穴電流分別為42 A和62 A，由此可見，硅場效應晶體管寄生雙極型晶體管導通的幾率比碳化硅場效應晶體管的高得多。同時，從圖7可以看出，晶體管內的最高溫度主要分布在柵極氧化層下面的N-漂移區(qū)，N+源區(qū)下方的P基區(qū)溫度相對較低，因而內建電壓的變化并不大，短路過程中碳化硅PN結保持了較高的內建電壓，進一步提高了碳化硅場效應晶體管寄生雙極型晶體管導通的難度。

圖8 兩種材料的PN結的內建電壓以及兩者的差值隨溫度的變化趨勢

由上述分析可知，短路條件下的碳化硅場效應晶體管失效，有兩種機制：①由于較高的內建電壓，短路時其結構中的寄生雙極型晶體管沒有導通，晶體管內高電流應力所帶來的溫升傳遞到表面，并超過了金屬電極的熔化溫度，由此導致金屬電極熔化而使碳化硅場效應晶體管失效；②由于碳化硅/氧化物界面高密度的陷阱，而設計了較薄的氧化層以及較高的柵極驅動電壓，增加了氧化層的泄漏電流，高電流應力下碳化硅場效應晶體管更容易出現柵極氧化層的損壞而失效。相比之下，硅場效應晶體管的短路失效，是由于其結構中的寄生雙極型晶體管導通，導致晶體管內的泄漏電流失控，高電流應力下晶體管直接燒毀而失效，而硅/氧化物界面較低密度的界面陷阱，相對較厚的氧化層和相對較低的柵極驅動電壓，硅場效應晶體管氧化層在短路時出現損壞的可能性比碳化硅場效應晶體管的要小一些。

4 結束語

利用半導體器件模擬軟件建立了能夠反映碳化硅場效應晶體管和硅場效應晶體管短路失效的數值模型，引入了半導體器件的自熱效應和與溫度相關的遷移率模型，包含了界面固定電荷和界面陷阱，搭建了實驗電路，驗證了兩種功率場效應晶體管短路失效數值模型的準確性。文中通過分離出失效時流過晶體管內的電子電流和空穴電流，以及畫出失效過程中兩種功率場效應晶體管內電流線走向和溫度的分布，認為碳化硅場效應晶體管的短路失效，主要是晶體管溫度過高導致金屬電極的熔化以及柵極氧化層的損壞，而硅場效應晶體管的短路失效，則是由于其結構中的寄生雙極型晶體管的導通而引起的電流失控。