普賽斯儀表測試SiC MOS電性能方案詳解

碳化硅（SiC）之所以被電動車大量采用，因具有“高耐壓”、“低導通電阻”、“高頻”這三個特性，相較硅基半導體更適合車用。首先，從材料特性上看，碳化硅（SiC）具有更低電阻，電流傳導時的功率損耗更小，不僅使電動車電池電量得到更高效率的使用，而且降低傳統高電阻產生熱的問題，降低散熱系統的設計成本。

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，多出來的空間讓電動車乘坐空間更舒適，或電池做更大，達更高行駛里程。

從硅基（Si）到碳化硅（SiC）MOS的技術發展與進步進程來看，面臨的蕞大挑戰是解決產品可靠性問題，而在諸多可靠性問題中尤以器件閾值電壓（Vth）的漂移蕞為關鍵，是近年來眾多科研工作關注的焦點，也是評價各家         SiC MOSFET 產品技術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，它們會使閾值電壓在電熱應力的作用下發生漂移，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，在器件測試過程中閾值電壓會有明顯漂移，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于測試條件。因此SiC  MOSFET閾值電壓的準確測試，對于指導用戶應用，評價SiC MOSFET技術狀態具有重要意義。

根據第三代半導體產業技術戰略聯盟目前的研究表明，導致SiC  MOSFET的閾值電壓不穩定的因素有以下幾種：

1、柵壓偏置

通常情況下，負柵極偏置應力會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。

2、測試時間

高溫柵偏試驗中采用閾值電壓快速測試方法，能夠觀測到更大比例受柵偏置影響改變電荷狀態的氧化層陷阱。反之，越慢的測試速度，測試過程越可能抵消之前偏置應力的效果。

3、柵壓掃描方式

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

4、測試時間間隔

國際上有很多相關研究表明，SiC     MOSFET閾值電壓的穩定性與測試延遲時間是強相關的，研究結果顯示，用時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回滯量比耗時1s的測試方法大4倍。

5、溫度條件

在高溫條件下，熱載流子效應也會引起有效氧化層陷阱數量波動，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《電動車輛用碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管（SiC MOSFET）模塊技術規范》、T/CASA   006-2020 《碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管通用技術規范》等要求，目前，武漢普賽斯儀表自主開發出適用于碳化硅（SiC）功率器件閾值電壓測試及其它靜態參數測試的系列源表產品，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典S系列直流源表的基礎上打造的一款高精度、大動態、數字觸摸源表，匯集電壓、電流輸入輸出及測量等多種功能，蕞大輸出電壓達300V，蕞大脈沖輸出電流達30A，支持四象限工作，被廣泛應用于各種電氣特性測試中。

1、P300B高精度脈沖源表

-         脈沖直流，簡單易用

-         范圍廣，高至300V低至1pA

-         最小脈沖寬度200μs

-         準確度為0.03%

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。產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動態測試母線電容充電電源、IGBT老化電源、防雷二極管耐壓測試等場合。其恒流模式對于快速測量擊穿點具有重大意義。

2、E系列高電壓源測單元

-         ms級上升沿和下降沿

-         單臺蕞大3500V電壓輸出(可擴展12kV)

-         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。

3、HCPL100高電流脈沖電源

-         輸出電流達1000A

-         多臺并聯可達6000A

-         50μs-500μs的脈沖寬度可調

-         脈沖邊沿陡(典型時間15us)

-         兩路同步測量電壓(0.3mV-18V)

未來，普賽斯儀表基于國產化高精度數字源表（SMU）的測試方案，以更優的測試能力、更準確的測量結果、更高的可靠性與更全面的測試能力，聯合更多行業客戶，共同助力我國半導體功率器件高可靠高質量發展