SiC MOSFET负栅压偏置引起的Vth不稳定性：体二极管导通作用

SiC器件实际应用中为了避免SiC MOSFET的误导通，故在开关操作期间常采用负的VGS-off。所以这项研究就针对负VGS-off对阈值电压Vth稳定性的影响，并探究了体二极管导通的作用。

结果表明，待测器件在VGS-off=0V时，器件在开关操作数千秒后都呈稳定的Vth。而在VGS-off=-10V时，器件则呈现明显的负Vth负向偏移。相反，对于MOS/SBD组合使用，器件在各种VGS-off下始终保持稳定的Vth。

作者继续利用TCAD仿真分析了负VGS-off时SiC MOSFET的Vth负向漂移的机制：当死区时间内存在体二极管导通时，在负栅极偏压的作用下，空穴会在开关过程中吸引至栅氧层。具有高能量的空穴会导致正电荷捕捉或在MOS界面处产生缺陷，导致明显的负向Vth偏移。而使用外部的SBD（即MOS/SBD）来对体二极管进行分流，故无论VGS-off如何变化都不可以弥补Vth的不稳定性。

背景介绍

阈值电压不稳定性是SiC MOSFET的突出问题之一，主要是因为栅氧生长过程中带来的较高密度的缺陷以及SiC/SiO2之间较低的能带偏移造成的。而SiC MOSFET的应用通常是在高压和快速开关状态。所以为了避免误导通，通常采用栅极负压。

目前已经有报道表明，负栅极偏压会引起Vth不稳定性，如SiC MOSFE在宽范围的氧化物电场下会出现负偏压温度不稳定性（NBTI）。而且，在浪涌电流条件下，负栅极偏压会导致空穴隧穿进入沟道区域和JFET区域上方的栅氧层中，引起负Vth漂移。但是这些研究更多的是在静态情况下或非正常工作条件下进行，目前仍缺乏针对实际开关条件下SiC MOSFET的Vth不稳定性方面的研究。

实际应用中，通常需要续流二极管，与反并联的SBD相比，SiC MOSFET的内部体二极管因成本优势受到市场欢迎。当体二极管导通时，存在有大量的空穴从Pwell注入到JFET中，考虑到负栅极偏压，空穴会被吸引至栅氧层。所以，负栅极偏压下的体二极管在Vth不稳定性中的作用是一个非常值得注意的问题。

静态特性

下图a展示了本项研究中使用的商业1200V平面栅SiC MOSFET的TO-247-4封装器件，图b则是该器件内部元胞横截面示意图。

下图则是半导体测试仪测试得到的器件转移特性曲线和输出特性曲线。定义器件阈值电压的条件时VDS=1V，ID=2.5mA，此时器件阈值电压为2.8V。RDSON则是在VGS=20V和ID=10A下的185mΩ。

下图a和b则是显示了两种不同的测试，包括单独的MOS和MOS/SBD。下图c和d则是展示了两种测试在第三象限工作中的I-V曲线，其中VGS=-10-0V。对于单独的MOS，其体二极管的导通电压约为3V，而对于MOS/SBD组合测试，SBD的导通电压约为0.8V。所以，在MOS/SBD情况下，外部SBD可以屏蔽MOS体二极管的导通。

阈值电压Vth不稳定性

下图a展示了器件测试得到的转移曲线以提取初始的器件阈值Vth。随后将器件置于半桥电路，使其工作在开关状态，然后在开关操作后测试Vth，重复这个过程，直到累计工作时间达到目标时间。

下图b和c就是半桥电路中的两种测试在不同累积时间后的转移特性曲线。在VGS-off=-10V时，对于单MOS测试，其随着累计时间的增加，转移特性曲线呈现显著的阈值电压偏移ΔVth，表示阈值电压Vth负偏移。反之，对于MOS/SBD组合测试，其转移特性曲线中呈现的阈值电压的Vth偏移基本可忽略不计。

下图a则是提取了上图转移特性曲线中呈现的累计工作的函数下的阈值电压ΔVth偏移。对于单MOS在5000s开关测试后，Vth负偏移为-0.53V.相较之下，MOS/SBD组合测试情况下，Vth基本保持稳定。

下图b则是在累计工作时间1000s时，ΔVth偏移与VGS-off的函数关系。对于单MOS测试，当VGS-off≥-6V时，器件阈值电压Vth将保持稳定。但是，阈值电压Vth负偏移发生在更负的VGS-off下。在VGS-off=-10V下，1000s开关操作后，阈值电压Vth负偏移约为-0.36V。相反，MOS/SBD组合测试下，MOSFET器件在各种VGS下始终保持稳定的Vth。

机制分析

下图展示出了当体二极管在开关操作器件在负VGS-off下被用于续流二极管时折中现象的物理机制，阐述了阈值电压Vth负偏移。

下图a展示了被测器件的反向导通下的工作状态，图b则是器件在反向导通下的物理机制，其中空穴从Pwell注入到JFET区域中。

下图c则是展现器件正常反向恢复过程中的工作状态，下图d则是被测器件在反向恢复过程中的物理机制。在反向恢复瞬态过程，空穴在负栅压的作用下向栅氧移动。”热”空穴导致MOS界面正电荷捕捉或产生缺陷，导致显著的Vth负偏移。虽然MOS/SBD情况在开关操作期间使用SBD作为续流二极管，MOS内不再存在反向恢复过程，因此，在这种情况下MOS在各种VGS关断下始终保持稳定的Vth。

利用TCAD仿真分析了SiC MOSFET在负VGS关断时Vth负偏移的物理机制。下图a就是仿真所用的双脉冲测试电路。下桥晶体管导通，使上桥待测器件发生反向恢复过程。下图b和c就是双脉冲测试电路的波形。在25us时，器件发生反向恢复，存在峰值电流流经待测器件。

下图a和b展示了在反向恢复瞬态过程中，当VGS-off为0V和-10V时空穴密度分布和空穴电流路径。当VGS-off为0V时，只有少量空穴电流沿SiC/SiO2界面流动，因此阈值电压Vth几乎保持不变。当VGS-off=-10V时，更多的空穴被负VGS-off吸引，穿过JFET区域到栅氧层。这些”热”空穴沿SiC/SiO2界面流动，MOS界面处会引起正电荷捕捉和缺陷产生，导致更显著的阈值电压Vth漂移。

总结

作者研究了负VGS-off对SiC MOSFET在开关操作期间Vth的影响，特别关注体二极管导通的作用，发现在开关操作期间使用体二极管作为续流二极管会在大的负VGS-off条件下引起显著的负Vth漂移。在开关过程中，空穴在负栅偏压的辅助下被驱动向栅氧化层，热空穴导致MOS界面正电荷捕获和/或缺陷产生，从而引起明显的负Vth漂移，采用外部SBD作为续流二极管，可以缓解负Vth漂移。

因此，对于开关应用，在利用SiC MOSFET的体二极管进行续流时，必须特别注意负VGS-off的选择。

来源：功率半导体器件

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