场效应晶体管短路失效的数值模型

周郁明，蒋保国，陈兆权，王 兵

(安徽工业大学 安徽省高校电力电子与运动控制重点实验室，安徽 马鞍山 243002)

相比传统的硅材料，第三代半导体材料碳化硅由于具有更高的禁带宽度、更高的热导率、更高的电子饱和速度等优势[1-2]，基于碳化硅材料的场效应晶体管更适合于高频、高温、高耐压等功率变换场合。在实际的应用中，功率场效应晶体管经常会遭遇短路事故，尤其是电机驱动系统，在保护电路能够介于之前，人们希望功率场效应晶体管能够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/氧化物高两个数量级，为了取得较高的阈值电压，碳化硅场效应晶体管的氧化层厚度往往设计得比硅场效应晶体管的薄，这使得在高电应力的条件下，碳化硅场效应晶体管的氧化层更容易失效[3]；同时，由于同样功率等级的情况下，碳化硅场效应晶体管的芯片面积做得比硅场效应晶体管的小，这使得碳化硅场效应晶体管承受了更高密度的电流应力，因而碳化硅场效应晶体管的短路抵御能力比硅场效应晶体管的弱。

自从第一代碳化硅场效应晶体管产品面世以来，大量文献对碳化硅场效应晶体管的短路特性和失效机理进行了深入的研究。文献[4-9]讨论了环境温度、直流母线电压、短路脉冲的次数等参数对碳化硅场效应晶体管短路特性的影响。文献[10]总结了碳化硅场效应晶体管的短路失效机理，认为碳化硅场效应晶体管的失效主要有三种原因，分别是氧化层失效、沟道过电流、热奔。文献[11-12]利用半导体器件的计算机模拟从器件内部讨论了碳化硅场效应晶体管的失效机理，认为短路时器件内部的局部过热是碳化硅场效应晶体管失效的根本原因。在讨论碳化硅场效应晶体管失效机理时，不少文献提到了场效应晶体管结构中的寄生双极型晶体管(Bipolar Junction Transistor,BJT)[5-7, 10, 13-16]；这些文献有的认为高电流应力下寄生双极型晶体管的导通是触发碳化硅场效应晶体管“热奔”的主要原因；也有文献认为碳化硅场效应晶体管内建电压比较高，寄生双极型晶体管不会导通。同时，文献[14]详细讨论了晶体管P基区尺寸、掺杂浓度等参数对处于高电流应力下的碳化硅场效应晶体管寄生双极型晶体管导通的可能性的影响。

迄今为止，无论是对碳化硅场效应晶体管的结构设计，还是对碳化硅场效应晶体管的特性和机理研究，大多是基于传统的硅场效应晶体管的理论和技术。因而，在讨论碳化硅场效应晶体管的失效机理时，将碳化硅场效应晶体管的短路特性和失效机理与硅场效应晶体管对比分析，可以更加深入和清晰地了解碳化硅场效应晶体管的短路失效机理。笔者以型号为C2M0080120D(1200 V/36 A)的碳化硅场效应晶体管和型号为IXFK32N100P(1000 V/32 A)的硅场效应晶体管为参照对象，借助半导体器件模拟软件建立了两种功率场效应晶体管短路失效的数值模型；利用短路实验验证了数值模型的准确性，随后对比了两种功率场效应晶体管数值模型内部的电流线走向和温度分布，并结合两种功率场效应晶体管失效时栅极驱动电压的变化，深入分析了碳化硅场效应晶体管和硅场效应晶体管的短路失效机理。

1 数值模型的建立

半导体器件模拟软件所建立的数值模型，是具有一定的几何结构，定义了各区域的材料种类和掺杂浓度，并具有相应电极的虚拟器件。利用半导体器件模拟软件所建立的数值模型进行仿真时，是将器件离散成有限元结构，并将每个相关联的网格点的性质进行整合，通过计算每一个网格点的电场、电流密度、温度、产生和复合率等物理量，描绘出器件结构中每一个网格点的特性，并以电压和电流的外在形式表现出来。利用半导体器件模拟软件描述短路条件下功率场效应晶体管内部载流子的运动，重要的是引入自热效应。该效应通过求解热流方程并设置相应的边界条件来实现。热流方程表达式为

(1)

其中，C为单位热容，κ为热导率，H为器件所产生的热，T为局部温度。在所建立的数值模型中，热容C采用半导体器件模拟软件默认的材料参数。热导率κ与温度有关，数值模型采用如下的热导率模型：

(2)

其中,a、b和c为系数，根据文献[17-18]有关碳化硅和硅热导率曲线拟合获取。边界条件通过定义热电极来设置，一般为场效应晶体管的漏极。

高电流应力能够显著抬升功率场效应晶体管的温度，直接导致载流子的温度升高，由此影响了与温度有关联的载流子迁移率。为了准确反映数值模型的短路行为，需引入与温度和掺杂浓度相关的载流子迁移率模型。半导体器件模拟软件中的Arora载流子迁移率模型合理地描述了载流子迁移率的温度相关行为，其表达式为

(3)

表1示出了所建立的碳化硅场效应晶体管和硅场效应晶体管数值模型的Arora载流子迁移率模型中的各个参数取值[11]。

表1 场效应晶体管数值模型Arora载流子迁移率模型参数取值

另外，数值模型通过引入载流子的福勒-诺德海姆(Fowler-Nordheim)隧穿和蒲尔-弗朗克(Poole-Frenkel)发射模拟氧化层的泄漏电流，可以评价场效应晶体管氧化层的退化。半导体/氧化物界面特性对功率场效应晶体管的性能影响也比较大，尤其是碳化硅/氧化物界面固定电荷和界面陷阱电荷，所建立的两种功率场效应晶体管的数值模型引入了界面固定电荷模型和在能带内均匀分布的界面陷阱模型。

表2列出了两种功率场效应晶体管数值模型中的界面固定电荷密度QF和界面陷阱密度QA，其他的关键参数取值，诸如氧化层厚度tox、热阻Rth、式(2)中的三个系数，也在表2中示出。

表2 场效应晶体管数值模型的关键参数及其取值

图1示出了所建立的碳化硅场效应晶体管和硅场效应晶体管二维数值模型结构，包括N衬底、N-漂移区、P基区、N+源区、P+体区和相应的电极。模型中，N-漂移区的掺杂浓度和厚度决定了晶体管的击穿电压，P基区掺杂浓度决定了晶体管的阈值电压，这些参数通过半导体器件模拟软件依据所参照的两种型号的功率场效应晶体管的击穿电压和阈值电压来仿真获取，其他区域的掺杂浓度和厚度根据现有文献来选取。

图1 碳化硅场效应晶体管和硅场效应晶体管的二维数值模型结构

2 模型的验证

图2 短路实验平台

搭建了如图2所示的短路实验平台。直流偏置电压由4个耐压为500 V、容量为1 mF的电容器并联提供，一个数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)开发板提供两种功率场效应晶体管的栅极控制信号，短路电流由最高测量值为800 A的电流探头采集。两种功率场效应晶体管的开通和关断电压根据其产品数据手册设定，C2M0080120D为20 V/5 V，IXFK32N100P为15 V/0 V，栅极驱动电阻都选择为5.1。

图3展示了两种功率场效应晶体管在400 V的直流偏置作用下实验所测得和数值模型仿真到的短路电流(IDS)、漏源两端电压(VDS)、栅极驱动电压(VGS)的对比，由于实验中存在着严重的电磁干扰以及担心晶体管爆炸所带来的破坏力，栅极电流(IGS)没有采集。从图3可以看出所建立的数值模型比较合理地再现了两种功率场效应晶体管的短路失效行为。另外，从图可以看出，碳化硅场效应晶体管的短路耐受时间为22.4s，硅场效应晶体管为287s，同时，失效前碳化硅场效应晶体管的栅极驱动电压出现了严重的退化，下降了5.2 V左右，而硅场效应晶体管的栅极驱动电压几乎没有退化。

图3 碳化硅场效应晶体管和硅场效应晶体管短路失效数值模型的验证

3 结果与讨论

图4 分离功率场效应晶体管短路时电子电流和空穴电流的配置结构

不少文献的研究结果表明，处于短路应力下的功率场效应晶体管内存在着局部“热点”，导致晶体管内产生了额外的电子空穴对[11-12]，在直流偏置电压的作用下，电子空穴对穿过场效应晶体管结构中的P基区和N-漂移区组成的PN结，形成泄漏电流[3]。对于正常工作的N沟道场效应晶体管，形成通态电流的载流子是电子；在短路状态下，局部“热点”产生的电子空穴对所形成的电流是短路电流的一部分，然而空穴不会经过场效应晶体管的N+源区，为了衡量短路时局部“热点”所产生的电子空穴对数量的多少，可以从短路电流中分离出空穴电流来判断，其方法是在功率场效应晶体管的N+源区旁边设置一个P+体区，并配置相应的电极，流过此电极的电流即为空穴电流Ip，Ip和源极的电子电流In一起构成场效应晶体管的短路电流IDS，其配置结构如图4所示。图中VDC是直流偏置电压，VPULSE为栅极驱动电压，RG为栅极驱动电阻。

图3所示的两种功率场效应晶体管的短路电流利用图4所示的结构分离出来的电子电流和空穴电流如图5所示，同时，数值模型在短路过程中的局部最高温度也一起画出。

图5 两种功率场效应晶体管数值模型在短路过程中的电子电流、空穴电流和最高温度

由图5可见，两种功率场效应晶体管在遭遇短路事故后，短路电流以电子电流为主，而空穴电流则随着晶体管温度的增加而增加，在临界失效时刻，即图中A点所指的时刻，电子电流、空穴电流和晶体管温度都突然增加，同时，碳化硅场效应晶体管的局部最高温度为1 913 K，硅场效应晶体管的为1 033 K左右。

前面提及到，已有文献对碳化硅场效应晶体管短路时其结构中由N-漂移区、P基区、N+源区所组成的NPN双极型晶体管导通和不导通有不同的看法，但是都没有给出明确的证据，即使文献[14]采用数值计算的方法给出了寄生双极型晶体管导通的可能性，结论也并不确切。半导体器件模拟软件所建立的数值模型，一个显著的特点是可以随时查看器件内的电流走向以及温度分布。图6画出了碳化硅场效应晶体管和硅场效应晶体管在图3(a)和图3(b)中临界失效时刻A点和失效后的B点所对应的晶体管内的电流线，图7画出了对应点晶体管内的温度分布。由图6可见，在A和B两个时刻，碳化硅场效应晶体管内的电流有两个通道，一个是沟道，另外一个是沟道附近的P基区和N-漂移区所组成的PN结，没有从寄生双极型晶体管穿过的电流，这显示出碳化硅场效应晶体管在短路失效的过程中寄生双极型晶体管没有导通，“热点”所产生的电子是经过P基区到达N+源区，空穴则从N+源区下的P基区到达P+源区。而硅场效应晶体管在短路过程中的电流有三个通道，除了沟道和沟道附近的PN结，还有P基区下方的PN结，而穿过P基区下方PN结的电流，正是寄生双极型晶体管导通所形成的电流，这显示出硅场效应晶体管在短路失效时，寄生双极型晶体管出现了导通，并且随着短路的持续进行，更多的电流是从寄生双极型晶体管穿过。图7的温度分布显示，两种功率场效应晶体管短路时，局部“热点”位于栅极氧化层下的N-漂移区，并随着短路的进行，“热点”的温度增加，并转移到栅极氧化层下方的漂移区，导致氧化层和表面金属电极(通常是铝及其合金)的温度都比较高；这增强了载流子往栅极氧化层的注入，加速了氧化层的退化；尤其是碳化硅场效应晶体管，一方面栅极氧化层比硅场效应晶体管的氧化层薄，另外一方面氧化层附近的温度比硅场效应晶体管的高得多，因而碳化硅场效应晶体管栅极氧化层的退化比硅场效应晶体管要严重得多。

图6中硅场效应晶体管寄生双极型晶体管的导通，是因为N+源区下方P基区电流在基区电阻(RB)上产生的压降高于PN结的内建电压(Vbi)。内建电压是温度、P基区和N-漂移区掺杂浓度的函数，表达式为

(4)

其中k为玻尔兹曼常数，T为温度，q为基本电荷量，NA和ND分别为P基区和N-漂移区的掺杂浓度，ni为本征浓度。

图7 两种功率场效应晶体管数值模型的温度在不同短路时刻的分布

对于硅材料，ni表达式为[19]

ni=3.87×1016T3/2exp(-7.02×103/T) 。

(5)

对于碳化硅材料，ni表达式为[19]

ni=1.70×1016T3/2exp(-2.08×104/T) 。

(6)

根据图1所示的两种功率场效应晶体管的掺杂浓度可以画出两种材料PN结的内建电压与温度的关系曲线，其结果如图8所示；图中也画出了两种材料内建电压的差值。由图可见，两种材料PN结的内建电压都随着温度的增加而减小，但是硅PN下降得更快一些，而且在整个温度范围内，碳化硅PN结的内建电压比硅的内建电压至少高出2.5 V。另外，图5中碳化硅场效应晶体管和硅场效应晶体管在临界失效点A点的空穴电流分别为42 A和62 A，由此可见，硅场效应晶体管寄生双极型晶体管导通的几率比碳化硅场效应晶体管的高得多。同时，从图7可以看出，晶体管内的最高温度主要分布在栅极氧化层下面的N-漂移区，N+源区下方的P基区温度相对较低，因而内建电压的变化并不大，短路过程中碳化硅PN结保持了较高的内建电压，进一步提高了碳化硅场效应晶体管寄生双极型晶体管导通的难度。

图8 两种材料的PN结的内建电压以及两者的差值随温度的变化趋势

由上述分析可知，短路条件下的碳化硅场效应晶体管失效，有两种机制：①由于较高的内建电压，短路时其结构中的寄生双极型晶体管没有导通，晶体管内高电流应力所带来的温升传递到表面，并超过了金属电极的熔化温度，由此导致金属电极熔化而使碳化硅场效应晶体管失效；②由于碳化硅/氧化物界面高密度的陷阱，而设计了较薄的氧化层以及较高的栅极驱动电压，增加了氧化层的泄漏电流，高电流应力下碳化硅场效应晶体管更容易出现栅极氧化层的损坏而失效。相比之下，硅场效应晶体管的短路失效，是由于其结构中的寄生双极型晶体管导通，导致晶体管内的泄漏电流失控，高电流应力下晶体管直接烧毁而失效，而硅/氧化物界面较低密度的界面陷阱，相对较厚的氧化层和相对较低的栅极驱动电压，硅场效应晶体管氧化层在短路时出现损坏的可能性比碳化硅场效应晶体管的要小一些。

4 结束语

利用半导体器件模拟软件建立了能够反映碳化硅场效应晶体管和硅场效应晶体管短路失效的数值模型，引入了半导体器件的自热效应和与温度相关的迁移率模型，包含了界面固定电荷和界面陷阱，搭建了实验电路，验证了两种功率场效应晶体管短路失效数值模型的准确性。文中通过分离出失效时流过晶体管内的电子电流和空穴电流，以及画出失效过程中两种功率场效应晶体管内电流线走向和温度的分布，认为碳化硅场效应晶体管的短路失效，主要是晶体管温度过高导致金属电极的熔化以及栅极氧化层的损坏，而硅场效应晶体管的短路失效，则是由于其结构中的寄生双极型晶体管的导通而引起的电流失控。