随着宽禁带半导体材料在电力电子领域的广泛应用,碳化硅(SiC)功率器件因其高耐压、高效率、低能耗等优异特性,正逐渐替代传统硅基功率器件,成为新一代功率半导体的主流选择。在SiC功率器件中,功率MOSFET由于兼具开关速度快和导通电阻低等优势,广泛应用于新能源汽车、电源转换、工业控制等领域。然而,在功率SiC MOSFET的测试环节,尤其是高压耐压测试过程中,出现了诸如BV(击穿电压)后三通等特殊现象,严重影响器件的稳定性和寿命。本文将围绕功率SiC MOSFET测试中的BV后三通现象进行全面分析,并重点探讨击穿点集中于终端主结边缘的原因及对应优化策略。 功率SiC MOSFET在高压测试中表现出明显的耐压边界特征,测试通常包含对击穿电压(BV)的精确测定。BV是器件耐受的最大反向电压,超过此电压将导致器件结构遭到破坏。
实际测试中,观察到在击穿之后电流出现异常通路,即所谓的"BV后三通"现象,表现为击穿电流从器件的第三条通道快速流动,形成额外的电流路径,通常表现为突发性的电流激增。该现象不仅导致测试数据异常,也提示器件内部结构存在潜在的物理缺陷。 深入剖析BV后三通现象的根本原因发现,击穿点多集中在终端主结的边缘位置。终端主结指的是器件PN结的边缘区域,此处由于电场分布的不均匀,存在电场集中现象,使得局部区域的电场强度显著高于器件整体平均电场。这种电场集中极易引发局部击穿电压降低,从而触发击穿点先于其他区域崩溃。此外,终端主结边缘的制造工艺复杂,边缘钝化层和掺杂浓度的微小偏差均可能影响电场均匀性,进一步加重击穿的倾向。
在器件设计阶段,通过优化终端区域的结构设计和工艺手段,可有效缓解电场集中。常见的改善方法包括采用场板(Field Plate)技术,在终端区域覆盖高电导率的金属层,以平滑电场分布,减少电场峰值。同时,调整掺杂浓度梯度,扩展结边缘的空间电荷区,降低电场强度。此外,改进钝化层的工艺控制,确保边缘绝缘性能优良,也是防止击穿扩展的重要因素。 测试流程对于准确定位并量化BV后三通现象也至关重要。测试过程中,采用稳步提升电压和精细控制测试条件,能够更清晰地捕捉击穿过程中的电流变化趋势。
同步利用温度监测和电场分布模拟,有助于确认击穿的空间位置及机理。此外,结合显微结构分析手段,如扫描电子显微镜(SEM)和电镜下的损伤图像,能够形象化设备内部损伤位置,为击穿原因提供证据支持。 随着对BV后三通及击穿机制理解的深入,相关企业和研究团队已经开始研发针对性的解决方案。在器件设计上,引入多级场板设计能够更精细地调节电场分布,极大提高器件端结耐压能力。在制造工艺中,通过精确控制掺杂剖面和多层钝化组合优化,进一步增强边缘结构的稳定性。此外,针对测试设备的改进,强化电流保护机制,预防击穿造成的设备损坏,也是提升测试可靠性的重要方向。
功率SiC MOSFET凭借其卓越的特性,正在推动电力电子向更高性能、更高效率方向发展。尽管BV后三通及击穿点边缘集中带来了测试和应用中的挑战,但通过系统性的器件设计优化、制造工艺改进及精准测试手段的配合,已显著提升器件的击穿稳定性和整体性能。未来,随着技术不断深入,功率SiC MOSFET在高压环境中的表现必将更加可靠,为新能源、智能制造、智能电网等领域提供坚实的技术保障。 总结来说,BV后三通现象及其击穿点位于终端主结边缘的本质原因源自电场分布的不均匀及终端结构缺陷。应对这一问题的关键在于严密的设计与制造控制,兼顾器件的结构创新和测试技术提升。这不仅能够提升SiC功率MOSFET的电气性能,更推动宽禁带半导体向实用化和大规模应用迈进。
未来技术演进中,深耕终端主结边缘的材料和结构优化,将继续成为功率SiC MOSFET行业关注的焦点,推动整个功率电子行业迈上新的台阶。 。
