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

  前言

  2021年，第三代半導體產(chǎn)業(yè)被正式寫(xiě)入“十四五”規劃與2035年遠景目標中;2022年上半年，科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“新型顯示與戰略性電子材料”重點(diǎn)專(zhuān)項2022年度項目中，再對第三代半導體材料與器件的7個(gè)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(chǎng)與政策的雙輪驅動(dòng)下，聚焦市場(chǎng)化的應用，作為代表性材料，碳化硅(SiC)在新能源電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域正如火如荼。

  而近日，全球電動(dòng)車(chē)大廠(chǎng)特斯拉(Tesla)突然宣布，下一代電動(dòng)車(chē)傳動(dòng)系統碳化硅(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(dòng)車(chē)大量采用，因具有“高耐壓”、“低導通電阻”、“高頻”這三個(gè)特性，相較硅基半導體更適合車(chē)用。首先，從材料特性上看，碳化硅(SiC)具有更低電阻，電流傳導時(shí)的功率損耗更小，不僅使電動(dòng)車(chē)電池電量得到更高效率的使用，而且降低傳統高電阻產(chǎn)生熱的問(wèn)題，降低散熱系統的設計成本。

  其次，碳化硅(SiC)可承受高電壓達1200V，減少硅基半導體開(kāi)關(guān)切換時(shí)的電流損耗，解決散熱問(wèn)題，還使電動(dòng)車(chē)電池使用更有效率，車(chē)輛控制設計更簡(jiǎn)單。第三，碳化硅(SiC)相較于傳統硅基(Si)半導體耐高溫特性更好，能夠承受高達250°C，更適合高溫汽車(chē)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，可設計更小，多出來(lái)的空間讓電動(dòng)車(chē)乘坐空間更舒適，或電池做更大，達更高行駛里程。

  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(chēng)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(jià)格在2萬(wàn)元一片，現在大概6000元左右。從材料和工藝來(lái)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(lái)看，特斯拉的碳化硅(SiC)供應商ST最新一代產(chǎn)品面積正好比上一代減少75%。

  02 整車(chē)平臺升級至800V高壓，改用1200V規格碳化硅(SiC)器件。目前，特斯拉Model 3采用的是400V架構和650V碳化硅MOS，如果升級至800V電壓架構，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(lái)的用量減少外，還有觀(guān)點(diǎn)認為，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(lái)看，面臨的最大挑戰是解決產(chǎn)品可靠性問(wèn)題，而在諸多可靠性問(wèn)題中尤以器件閾值電壓(Vth)的漂移最為關(guān)鍵，是近年來(lái)眾多科研工作關(guān)注的焦點(diǎn)，也是評價(jià)各家 SiC MOSFET 產(chǎn)品技術(shù)可靠性水平的核心參數。

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

  由于SiC MOSFET與Si MOSFET特性的不同，SiC MOSFET的閾值電壓具有不穩定性，在器件測試過(guò)程中閾值電壓會(huì )有明顯漂移，導致其電性能測試以及高溫柵偏試驗后的電測試結果嚴重依賴(lài)于測試條件。因此SiC MOSFET閾值電壓的準確測試，對于指導用戶(hù)應用，評價(jià)SiC MOSFET技術(shù)狀態(tài)具有重要意義。

  根據第三代半導體產(chǎn)業(yè)技術(shù)戰略聯(lián)盟目前的研究表明，導致SiC MOSFET的閾值電壓不穩定的因素有以下幾種：

  01 柵壓偏置

  通常情況下，負柵極偏置應力會(huì )增加正電性氧化層陷阱的數量，導致器件閾值電壓的負向漂移，而正柵極偏置應力使得電子被氧化層陷阱俘獲、界面陷阱密度增加，導致器件閾值電壓的正向漂移。

  02 測試時(shí)間

  高溫柵偏試驗中采用閾值電壓快速測試方法，能夠觀(guān)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(guò)程越可能抵消之前偏置應力的效果。

  03 柵壓掃描方式

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

  04 測試時(shí)間間隔

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

  05 溫度條件

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

  根據JEDEC JEP183:2021《測量SiC MOSFETs閾值電壓(VT)的指南》、T_CITIIA 109-2022《電動(dòng)車(chē)輛用碳化硅金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管(SiC MOSFET)模塊技術(shù)規范》、T/CASA 006-2020 《碳化硅金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管通用技術(shù)規范》等要求，目前，武漢普賽斯儀表自主開(kāi)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)參數測試的系列源表產(chǎn)品，覆蓋了現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上打造的一款高精度、大動(dòng)態(tài)、數字觸摸源表，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300V，最大脈沖輸出電流達10A，支持四象限工作，被廣泛應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(jiǎn)單易用

  - 范圍廣，高至300V低至1pA

  - 最小脈沖寬度200μs

  - 準確度為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(diǎn)。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用于IGBT擊穿電壓測試、IGBT動(dòng)態(tài)測試母線(xiàn)電容充電電源、IGBT老化電源、防雷二極管耐壓測試等場(chǎng)合。其恒流模式對于快速測量擊穿點(diǎn)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(chǎng)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(diǎn)。

  03  HCPL 100高電流脈沖電源

  - 輸出電流達1000A

  - 多臺并聯(lián)可達6000A

  - 50μs-500μs的脈沖寬度可調

  - 脈沖邊沿陡(典型時(shí)間15us)

  - 兩路同步測量電壓(0.3mV-18V)

  未來(lái)，普賽斯儀表基于國產(chǎn)化高精度數字源表(SMU)的測試方案，以更優(yōu)的測試能力、更準確的測量結果、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(hù)，共同助力我國半導體功率器件高可靠高質(zhì)量發(fā)展。

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